DE60003585T2

DE60003585T2 - Strukturell laminierte platten mit metallischen aussenschichten und einer elastomerzwischenschicht

Info

Publication number: DE60003585T2
Application number: DE60003585T
Authority: DE
Inventors: Stephen J. Kennedy
Original assignee: Intelligent Engineering Bahamas Ltd
Current assignee: Intelligent Engineering Bahamas Ltd
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2020-11-03
Also published as: EE04485B1; PT1246722E; TW561098B; JP2003512950A; WO2001032414A2; RU2252144C2; NZ518423A; EE200200244A; PL209076B1; IL149371A; AU1156701A; BG106651A; NO20022135D0; CZ20021425A3; CA2389692C; EP1246722B1; NO328210B1; JP5258132B2; PL354655A1; CN1387473A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundstrukturlaminat-Sandwichplattenkonstruktion und insbesondere Konstruktionen, die zum Aufbau sowohl von Marinestrukturen oder -komponenten als auch von Hoch- oder Tiefbaustrukturen oder -komponenten geeignet sind, bei denen im herkömmlichen Konstruktionsverfahren versteifte Stahl- oder Metallplatten eingesetzt werden.
Bei Anwendungen wie z.B. Schiffsrümpfen oder Brückenfahrbahnen bzw. -überbauten werden die Stahlplatten, die solche Konstruktionen bilden, im Allgemeinen versteift, um die Steifigkeit und Festigkeit durch Verhindern eines lokalen Verziehens von Platten zu erhöhen. Die Versteifungsmittel können Platten, kaltgeformte oder gewalzte Abschnitte umfassen, die orthogonal an die Platte geschweißt sind, welche die Hauptlast trägt. Diese sind im Allgemeinen gleich beabstandet und können in einer oder in zwei Richtungen orientiert sein, die mit den Ebenenabmessungen der Hauptplatte ausgerichtet sind. Die Anzahl, die Größe, die Stelle und die Art hängen von der Anwendung und den Kräften ab, die von der Struktur getragen werden müssen. Die Verwendung von Versteifungsmitteln erfordert ein Schweißen, macht das Herstellungsverfahren kompliziert und erhöht das Gewicht. Versteifungsmittel, deren Verbindung mit der Hauptplatte oder deren Schnittpunkt mit anderen Hauptrahmenelementen sind häufig die Quelle von Ermüdungs- und Korrosionsproblemen. Komplexe und gedrängte Strukturen, die aus der Kombination von versteiften Platten resultieren, sind häufig schwierig zu warten und es ist schwierig, einen angemessenen Korrosionsschutz bereitzustellen.
Metall-Schaum-Laminate mit verbesserten Schall- oder Wärmeisolationseigenschaften sind zum Verkleiden oder Bedachen von Gebäuden bekannt, vgl. z.B. die US-PS 4,698,278 . Bei solchen Laminaten werden im Allgemeinen geschäumte oder faserförmige Materialien verwendet und sie sollen oder können keine signifikanten Belastungen tragen, d.h. Belastungen, die signifikant größer als ihr Eigengewicht und als kleine Lasten aufgrund einer lokalen Einwirkung von Wind oder Schnee sind. Trotzdem wurde die Verwendung einer Stahl-Polyurethanschaum-Stahl-Sandwichkonstruktion zur Verwendung in Rümpfen in Schiften untersucht. Es wurde gefolgert, dass diese Art von Sandwichkonstruktion ungeeignet war, da sie keine ausreichende Bindungsfestigkeit aufwies, um eine bezüglich versteifter Plattenstrukturen äquivalente Steifigkeit und Festigkeit in der Ebene oder in der Querrichtung bereitzustellen, die zum Tragen der ausgeübten Belastungen erforderlich sind.
Die GB-A-2 337 022 beschreibt die Verwendung einer Zwischenschicht, die ein Elastomer umfasst, das sich an den Innenflächen einer ersten und einer zweiten Metallschicht befindet und an diesen haftet.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Strukturlaminatelement bereit, das eine erste Metallschicht, die eine erste Innenfläche und eine erste Außenfläche aufweist, eine zweite Metallschicht, die eine zweite Innenfläche und eine zweite Außenfläche aufweist, wobei die zweite Metallschicht von der ersten Metallschicht beabstandet ist, eine Form, die sich zwischen der ersten Innenfläche und der zweiten Innenfläche befindet, und eine Zwischenschicht aus einem Elastomer umfasst, die sich in den Räumen zwischen der ersten Innenfläche und der zweiten Innenfläche befindet, die nicht von der Form eingenommen werden, und die an der ersten Innenfläche und der zweiten Innenfläche haftet.
Die erste und die zweite Metallschicht können als Außenplatten der Konstruktion angesehen werden. Sie müssen auch nicht parallel sein und können verschiedene Abstände oder Gestalten aufweisen, um das geeignete oder bestmögliche strukturelle Verhalten bereitzustellen.
Das erfindungsgemäße Strukturlaminatelement zeigt im Vergleich zum Stand der Technik eine verminderte durchschnittliche Dichte und ist in Anwendung wie z.B. Schiffen oder Brückenfahrbahnen bzw. -überbauten oder anderen strukturellen Anwendungen geeignet, bei denen das Gewicht von Bedeutung ist und bei denen ein Schweißen zwischen Metallschichten zur Verminderung der Kosten und von Verbindungspruoblemen zwischen unähnlichen Metallen ausgeschlossen werden kann. Ferner kann durch die Bereitstellung einer hohlen Form eine interne Verteilung einer Verkabelung oder Verrohrung durch die Laminate einfach bereitgestellt werden. Verglichen mit herkömmlichen versteiften Stahlplatten stellt diese Form der Konstruktion eine äquivalente Steifigkeit und Festigkeit in der Ebene und in Querrichtung bereit, vermindert Ermüdungsprobleme, minimiert Belastungskonzentrationen, verbessert die Wärmeisolierung und die akustische Isolierung und stellt eine Schwingungssteuerung bereit. Das Laminat stellt ein strukturelles System bereit, das als Rissstoppschicht wirkt und das zwei unähnliche Metalle ohne Schweißen oder ohne die Bildung einer galvanischen Zelle verbinden kann.
Die Form wird als lastfrei betrachtet und es wird angenommen, dass sie einfach genau geformte, beabstandete und dimensionierte Volumina bereitstellen kann, in denen der Elastomerkern nicht für die strukturelle Leistung erforderlich ist. Der nicht durch die Form einge nommene Raum ist mit einem Elastomer gefüllt. Die Menge, die Gestalt und die Stelle des Elastomers zwischen den Metallplatten sind anwendungsspezifisch und so gestaltet, dass sie integral mit den Metallaußenplatten zusammenwirken, so dass alle Kräfte getragen werden, denen die Verbundstrukturlaminatplatte ausgesetzt sein kann. Es wird davon ausgegangen, dass eine ausreichende Bindungsfläche zwischen dem Elastomer und den Metallplatten bereitgestellt wird, so dass die ausgeübten Scherkräfte übertragen werden. In manchen Anwendungen kann ein Schweißen von Zwischenmetallplatten oder -abschnitten ausgeschlossen werden. Ferner sollte die Zwischenschicht so gestaltet sein und Materialeigenschaften (d.h. Dehnungsgrenze, Modul, Duktilität, Härte, Rückprallelastizität, Wärmeeigenschaften und akustische Eigenschaften, Dämpfungs- und Schwingungseigenschaften) aufweisen, so dass die strukturelle Leistung bereitgestellt wird, die für die gegebene Anwendung erforderlich ist. Wenn beispielsweise ein Vermögen zum Widerstehen von Schlagbelastungen und zum Absorbieren von Energie wichtig ist, dann wird die Zwischenschicht so gestaltet, dass sie die Spannungsableitung und eine unelastische Membranwirkung in den Metallaußenplatten fördert und die Durchstoßbeständigkeit erhöht.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen können Metallplatten oder -abschnitte umfassen, die in die Zwischenschicht eingebettet und daran gebunden sind, um die Scherung, die Biegeund Quersteifigkeit zu erhöhen und die Belastungsverteilung zu verbessern. Die Stelle, die Größe und die Anzahl werden abhängig von der Belastung und von Strukturerfordernissen ausgewählt. Die Platten oder Abschnitte können längs oder quer oder sowohl längs als auch quer angeordnet sein. Die Bereitstellung einer zusätzlichen Steifigkeit auf diese Weise hat den Vorteil, dass die zusätzlichen Platten oder Abschnitte nicht an die Metallschichten geschweißt werden müssen, dass die Scherungsübertragung zwischen den Metallplatten oder – abschnitten und den Metallschichten durch die Bindung zwischen dem Elastomer (primär) und der Form (sekundär) und den Metallplatten oder -abschnitten bereitgestellt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturlaminatelements bereit, das die Schritte des Ausstattens einer ersten und einer zweiten Schicht, die sich in einer voneinander beabstandeten Beziehung befinden, mit einer Form, die teilweise in Kontakt mit beiden Metallschichten steht und die sich in einem Kernhohlraum befindet, der zwischen den beiden Platten definiert ist, wobei die Form den Kernhohlraum teilweise füllt, des Gießens eines ungehärteten Elastomers in den Kernhohlraum, und des Härtens des Elastomers, so dass dieses an den Metallschichten haftet, umfasst.
Das Bereitstellen der Form in Kontakt mit den Metallschichten ermöglicht den einfachen Zusammenbau der Laminate innerhalb der erforderlichen Dimensionsgenauigkeit.
Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
1 ein schematisches laterales Querschnittsdiagramm einer erfindungsgemäßen Verbundstrukturlaminatkonstruktion ist, die verschiedene Formen zeigt,
2 ein Längsschnitt der gleichen erfindungsgemäßen Verbundstrukturlaminatkonstruktion ist,
3 eine Querschnittsansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist,
4 eine Querschnittsansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem gekrümmten Abschnitt ist, und
5 eine Querschnittsansicht einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist.
In den Figuren werden entsprechende Teile mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
1 ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Laminatelements. Das Laminatelement umfasst eine erste Außenscuhicht 1, eine Form 10, eine Zwischenschicht 20 und eine zweite Außenschicht 2. Die Form 10 kann an den markierten Bereichen 15 teilweise mit den Außenschichten 1 und 2 in Kontakt stehen. Die Zwischenschicht 20 ist mit einer ausreichenden Festigkeit an die erste und die zweite Schicht 1 und 2 gebunden, so dass Scherbelastungen zwischen den Außenschichten übertragen werden, wodurch ein Verbundstrukturelement gebildet wird, das Lasten tragen kann, die signifikant größer sind als das Eigengewicht des Strukturelements.
Die genaue Last, die von dem Laminatelement getragen werden muss, wird von der Anwendung abhängen, in der es eingesetzt werden wird. Das Verhältnis des Volumens der Form 10 zu dem Volumen der Zwischenschicht 20 wird gemäß den erforderlichen physikalischen Eigenschaften ausgewählt. Diese physikalischen Eigenschaften können die Festigkeit, die Steifigkeit oder die Dichte umfassen.
Die Form 10 umfasst mehrere Unterabschnitte 11, die mit Verbindungselementen 12 verbunden sind. Die Unterabschnitte 11 weisen im Allgemeinen die gleiche Form auf und sind gleichmäßig beabstandet, wie es in 3 oder 4 für flache oder gekrümmte Abschnitte gezeigt ist. Die Verbindungselemente 12 sind im Allgemeinen, jedoch nicht notwendigerweise, parallel zu den Metallschichten 1, 2. Die Verbindungselemente 12 weisen im Allgemeinen einen kleineren maximalen Querschnitt auf als die Unterabschnitte 11. Vorzugsweise sind mehrere Unterabschnitte 11 und Verbindungselemente 12 integral ausgebildet. Die Form 10 kann die erste und die zweite Außenschicht 1, 2 entlang der gesamten Kante eines Unterabschnitts 11 oder an Ausrichtungsvorsprüngen 13 kontaktieren. Im letztgenannten Fall steht mehr Fläche für die Zwischenschicht 20 zur Bindung an die erste und die zweite Schicht zur Verfügung.
Vorzugsweise befinden sich kontinuierliche Pfade von der ersten Außenschicht 1 zu der zweiten Außenschicht 2, welche die Form 10 umgehen. Mehr bevorzugt verlaufen gerade Pfade von der ersten Außenschicht (Außenplatte) 1 zu der zweiten Außenschicht (Außenplatte) 2, welche die Form 10 umgehen und die optimalerweise senkrecht zu der ersten und der zweiten Schicht angeordnet sind. Die Form kann so gestaltet sein, dass ein zusätzlicher gebundener Bereich für das Elastomer an den Metallaußenplatten vorliegt. Beispielsweise würde ein Querschnitt der Konstruktion eine Reihe von Elastomerrippen aufweisen, die wie ionische Säulen (Säulen mit Kapitellen) aussehen.
Die Form 10 kann aus einer beliebigen Art eines Schaummaterials mit geringem Gewicht hergestellt werden, z.B. aus Polyurethanschaum (PU-Schaum), der nicht mit den Metallschichten 1, 2 oder mit dem Elastomer reagiert. Der bevorzugte Schaum ist ein halbstarrer Polypropylenschaum mit einer Dichte von mehr als 20 kg/m³. Vorzugsweise ist der Schaum ausreichend starr, so dass er durch die Metallschichten 1, 2 oder die Zwischenschicht 20 nicht leicht zusammengedrückt wird. Die Form 10 kann für einen spezifischen Zweck geformt oder in einer generischen Weise konstruiert werden, so dass die Größe der Form 10 passend gemacht (zugeschnitten) werden kann. Verschiedene Formen könnten angrenzend aneinander zwischen einzelnen Außenschichten positioniert werden. In anderen Ausführungsformen würden die Formen durch andere Materialien wie z.B. Holz und kaltgeformte Leichtbau-Stahlkästen ersetzt werden. Diese Formen würden die gleichen Funktionen ausüben und die gleichen Merkmale aufweisen, wie sie vorstehend für die Formen 10 beschrieben worden sind. Diese Formen können auch die Schersteifigkeit und die Biegesteifigkeit erhöhen.
Wie es aus der 3 oder 4 ersichtlich ist, kann die Form 10 eine regelmäßige Anordnung von Unterabschnitten umfassen, die in regelmäßigen Intervallen miteinander verbunden sind.
Ein auf diese Weise hergestelltes Strukturlaminat wird über das ganze Element hinweg einheitliche Eigenschaften zeigen. Alternativ kann die Größe, die Gestalt und die Beabstandung der Unterabschnitte variiert werden. Die Verbindungselemente 12 müssen auch nicht notwendigerweise einheitlich voneinander beabstandet sein. Es kann bzw. können jegliche Gestalt des Unterabschnitts 11 und sogar hohle Gestaltungen ausgewählt werden. Diese Variablen werden gemäß den erforderlichen physikalischen Eigenschaften des Elements in einem bestimmten Bereich ausgewählt. Die Bereitstellung des hohlen Verbindungselements 12 oder der hohlen länglichen Unterabschnitte 11 ermöglicht eine interne Verteilung einer Verkabelung oder Verrohrung.
Die Funktion der Form 10 ist keine Lasttragekapazität, sondern es handelt sich um eine zweckmäßige Art und Weise, Hohlräume in der Zwischenschicht 20 in Bereichen bereitzustellen, bei denen die gesamte Lasttragekapazität des Elastomers 20 in dem Raum zwischen der ersten Innenfläche 4 und der zweiten Innenfläche 6 nicht erforderlich ist. Auf diese Weise kann die Dichte eines gegebenen Strukturelements stark vermindert werden. Ferner kann die Position des Hohlraums innerhalb des Strukturlaminatelements genau gesteuert und die Dimensionsgenauigkeit des Abstands zwischen der ersten Innenfläche 4 und der zweiten Innenfläche 6 erhöht werden.
Die erste Außenschicht 1 umfasst eine erste Außenfläche 3 und eine erste Innenfläche 4. Entsprechend umfasst die zweite Außenschicht 2 eine zweite Außenfläche 5 und eine zweite Innenfläche 6. Die erste Innenfläche 4 und die zweite Innenfläche 6 können in einem Bereich von etwa 20 bis 250 mm voneinander beabstandet sein. Minimal weisen die erste und die zweite Außenschicht eine Dicke von 2 mm und die Zwischenschicht eine Dicke von 20 mm auf. Vorzugsweise hat die Zwischenschicht einen Elastizitätsmodul E von mindestens 250 MPa, mehr bevorzugt von 275 MPa bei der maximal erwarteten Temperatur in der Umgebung, in der das Element verwendet werden soll. Bei Schiffsbauanwendungen kann diese Temperatur 100°C betragen. Das Elastomer sollte nicht zu steif sein, so dass E bei der untersten erwarteten Temperatur, d.h. –40°C oder –45°C, bei Schiffsbauanwendungen weniger als 5000 MPa betragen sollte.
Wenn für eine spezifische Anwendung eine zusätzliche Schersteifigkeit oder Biegesteifigkeit erforderlich ist, dann können Metallplatten oder gewalzte Abschnitte integral mit der Form oder dem Elastomer gegossen oder daran gebunden sein. Die Stelle, die Größe und die Anzahl werden abhängig von der Belastung und den strukturellen Erfordernissen ausgewählt. Die Platten oder Abschnitte können längs oder quer oder sowohl längs als auch quer angeordnet sein.
Die Reiß-, Druck- und Zugfestigkeiten sowie die Dehnung des Elastomers sollten maximiert werden, so dass das Verbundlaminat bei unüblichen Belastungsereignissen, wie z.B. einem Schlag, Energie absorbieren kann. Insbesondere sollten die Druck- und Zugfestigkeiten des Elastomers mindestens 2 und vorzugsweise 20 MPa und insbesondere 40 MPa betragen. Die Druck- und Zugfestigkeiten können natürlich beträchtlich größer sein als diese Minimalwerte.
5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der sich Scherplatten 60 zwischen der ersten und der zweiten Außenschicht 1 und 2 erstrecken. Die Scherplatten 60 können massiv oder mit Stanzlöchern 61 perforiert sein, wie es in 5 veranschaulicht ist, um einen freien Fluss der injizierten Zwischenschicht 20 zu ermöglichen und um nach dem Härten die Belastung (mechanische Verbindung) zwischen der Zwischenschicht 20 und den Scherplatten 60 zu erhöhen. Perforierte Platten stellen steifere Elemente mit vermindertem Schlankheitsgrad und einem verminderten Gewicht der Komponenten bereit. Vorzugsweise befinden sich die Scherplatten 60 angrenzend an die Unterabschnitte 11, wie es in 5 veranschaulicht ist. Diese Unterabschnitte 11 erstrecken sich vorzugsweise über im Wesentlichen die gesamte Länge des Elements, so dass die Zwischenschicht eine Mehrzahl von beabstandeten länglichen Rippen bildet, und die Scherplatten 60 sind an eine dieser länglichen Rippen gebunden. Eine Scherkraft wird über die Bindung (Haftung und mechanische Bindung) auf die Scherplatten 60 übertragen, um die erforderliche Biegesteifigkeit bereitzustellen.
Bei den Metallschichten 1, 2 handelt es sich vorzugsweise um Konstruktionsstahl, obwohl diese bei Spezialanwendungen auch aus Aluminium, Edelstahl oder anderen Konstruktionslegierungen bestehen können, bei denen ein geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, inertes Verhalten oder andere spezifische Eigenschaften essentiell sind. Das Metall sollte vorzugsweise eine minimale Dehngrenze von 240 MPa und eine Dehnung von mindestens 20 % aufweisen. Für viele Anwendungen, insbesondere für den Schiffsbau, ist es essentiell, dass das Metall schweißbar ist.
Die Metallschichten 1, 2 können verschiedene Metallschichten sein, die verschiedene Funktionen bereitstellen. Beispiele sind Weichstahl für eine Festigkeit bei geringen Kosten, Edelstahl für eine Festigkeit und Beständigkeit gegenüber einem chemischen Angriff, und Aluminium für ein geringes Gewicht und eine gute Steifigkeit und Festigkeit.
Die Duktilität des Elastomers bei der niedrigsten Betriebstemperatur muss größer sein als die der Metallschichten, die etwa 20 % beträgt. Ein bevorzugter Wert für die Duktilität des Elastomers bei der niedrigsten Temperatur beträgt 50 %. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Elastomers muss auch ausreichend nahe an dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl liegen, so dass die Temperaturschwankung über dem erwarteten Betriebsbereich und während des Schweißens keine Delaminierung verursacht. Das Ausmaß, in dem sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien unterscheiden können, wird zum Teil von der Elastizität des Elastomers abhängen. Es wird jedoch angenommen, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Elastomers etwa das 10-fache des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metallschicht betragen kann. Der Wärmeausdehnungskoeffizient kann durch den Zusatz von Füllstoffen zu dem Elastomer gesteuert werden.
Die Bindungsfestigkeit zwischen dem Elastomer und den Metallschichten sollte mindestens 1 MPa und vorzugsweise 6 MPa über dem gesamten Betriebstemperaturbereich betragen. Diese Bindungsfestigkeit wird vorzugsweise durch das inhärente Haftvermögen des Elastomers an Stahl erreicht. Es können jedoch auch zusätzliche Klebstoffe bereitgestellt werden.
Wenn das Element bei Schiffsbauanwendungen eingesetzt werden soll, umfassen zusätzliche Erfordernisse, dass die Zugfestigkeit über die Grenzfläche ausreichend sein muss, um dem erwarteten negativen hydrostatischen Druck und Delaminierungskräften der Stahlverbindungen zu widerstehen. Die Form und das Elastomer müssen sowohl gegenüber Meerwasser als auch Frischwasser hydrolytisch stabil sein und wenn das Element in einem Öltanker verwendet werden soll, müssen diese auch eine chemische Beständigkeit gegenüber Ölen aufweisen.
Das Elastomer umfasst deshalb im Wesentlichen ein Polyol (z.B. einen Polyester oder einen Polyether) zusammen mit einem Isocyanat oder einem Düsocyanat, Kettenverlängerungsmitteln und Füllstoffen. Füllstoffe werden gegebenenfalls bereitgestellt, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Zwischenschicht zu vermindern, deren Kosten zu reduzieren und ansonsten die physikalischen Eigenschaften des Elastomers zu steuern. Es können auch weitere Zusätze, z.B. zum Steuern der Hydrophobie oder des Haftvermögens, sowie Flammverzögerungsmittel zugesetzt werden.
Die Form 10 und die Zwischenschicht 20 können freiliegen (offen) oder umschlossen sein. In Fällen, bei denen die Form 10 und die Zwischenschicht 20 freiliegen, und bei denen das Schweißen minimiert oder sogar vollständig ausgeschlossen wird, muss das Zwischenschichtmaterial die zusätzlich erforderliche Scherkapazität zwischen den Platten bereitstellen und es muss gegenüber der Umgebung beständig sein (z.B. UV-beständig). Für freiliegende Materialien können weitere Zusätze erforderlich sein, um die Flammbeständigkeit zu erhöhen.
Das Verhältnis der Gesamtdicke der Außenschichten zur Dicke des Elastomers (T₁ + T₃)/T₂ liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,1 bis 2,5. Das Elastomer ist vorzugsweise kompakt, d.h. es weist weniger als etwa 25 Vol.-% eingeschlossene Luft auf.
Beispielsweise aus Gründen des Aussehens oder der Korrosionsbeständigkeit können auf die Außenflächen der Metallschichten entweder vor oder nach der Herstellung des Laminats Beschichtungen aufgebracht werden. Um das freiliegende Elastomer zu schützen, können auch andere Beschichtungen bereitgestellt werden.
Das erfindungsgemäße Element ist im Wesentlichen fester und steifer als ein Element mit der gleichen Gesamtdicke des Metalls, das keine Zwischenschicht aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Element in analoger Weise wie ein Kastenträger oder ein I-Träger wirkt, wobei die Zwischenschicht die Funktion des Stegs bzw. der Stege ausübt. Um diese Funktion bereitzustellen muss die Zwischenschicht selbst und die Bindungen an die Außenschichten ausreichend fest sein, um die Kräfte zu übertragen, die beim Gebrauch des Elements entstehen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, der beim Schiffsbau- und bei Brückenanwendungen von besonderem Nutzen ist, besteht darin, dass die Zwischenschicht dahingehend wirkt, dass sie eine Rissausbreitung zwischen der Innen- und der Außenschicht verhindert. Die Elastizität der Zwischenschicht unterstützt bei der Verhinderung der Ausbreitung oder des Wachstums bestehender Risse. Die Verbundstrukturlaminatkonstruktion biegt sich in einem größeren Radius an Stützpunkten oder entlang von Belastungskanten, wodurch die Biegespannungen abgeleitet und die entsprechenden Belastungskonzentrationen sowie die Möglichkeit der Bildung von Ermüdungsrissen vermindert werden.
Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Laminatelements umfasst die Positionierung der zwei Metallschichten 1, 2 in einer beabstandeten Beziehung, wobei die Form 10 zwischen den beiden Schichten 1, 2 und in Kontakt mit den beiden Schichten 1, 2 angeordnet ist. Auf diese Weise ist die Trennung der beiden Schichten durch die Dimension der Form 10 definiert. Das Elastomer der Zwischenschicht 20 wird direkt in den Rest des Hohlraums gegossen oder injiziert (gewöhnlich unter Druck), der durch die beiden Metallschichten 1 und 2 ausgebildet und nicht von der Form 10 eingenommen wird. Die Form kann an die Stahlplatten mit Bindungsmitteln aus elastisch-verträglichen Verbindungen mit ausreichender Festigkeit gebunden werden, so dass die Platten während des Injektionsprozesses an Ort und Stelle gehalten werden, bis das Elastomer ausreichend gehärtet ist.
Während des Gießens können die Platten geneigt gehalten werden, um das Fließen des Elastomers zu unterstützen, oder sogar vertikal, obwohl der hydrostatische Vorlauf des Elastomers während des Gießens nicht übermäßig sein und die Strömung der verdrängten Luft optimiert werden sollte. Die Platten können in der Struktur auch an Ort und Stelle fixiert und in-situ mit Elastomer gefüllt werden.
Um ein Schweißen des Elements an andere Elemente oder an eine bestehende Struktur zu ermöglichen, ist es erforderlich, einen ausreichenden Schweißrand um die Kanten freizulassen, um sicherzustellen, dass das Elastomer und dessen Bindung an die Stahlplatte nicht durch die Schweißhitze beschädigt werden. Die Breite des Schweißrands hängt von der Wärmebeständigkeit des Elastomers und der verwendeten Schweißtechnik ab, kann jedoch etwa 75 mm betragen. Wenn das Elastomer zwischen die Platten gegossen wird, dann muss der Schweißrand durch längliche entfernbare oder an Ort und Stelle eingegossene Abstandshalter festgelegt werden.
Die Anzahl der erforderlichen Injektions- und Belüftungsöffnungen wird von der verfügbaren Ausrüstung zum Pumpen der Komponenten des Elastomers zur Bereitstellung minimaler spritzerförmiger Markierungen (idealerweise ohne spritzerförmige Markierungen), dem Volumen, der Orientierung und der zu füllenden Gestalt, den optimalen Stellen zum Herausziehen von Luft (sicherstellen, dass keine Hohlräume vorliegen) und der Gelzeit des Elastomers abhängen. Die Injektions- und Belüftungsöffnungen sollten sich an geeigneten Stellen für die Verwendung befinden, der das Element zugeführt werden soll. Wenn das Element als Wandplatte in einem doppelwandigen Schift verwendet werden soll, dann sind die Injektionsöffnungen Idealerweise so angeordnet, dass sie auf den Zwischenraum zwischen den Wänden gerichtet sind und nicht zum Meer oder zum Laderaum hin. Die Injektionsöffnungen sind Idealerweise Schnelltrennöffnungen, möglichst mit Einwegventilen, die nach dem Gießen abgeschliffen werden können. Die Injektions- und Belüftungsöffnungen können einfache Löcher sein, die in die Metallaußenplatten gebohrt werden. Diese können auch mit Metallstopfen verschlossen werden, die mit der Metallaußenplatte bündig sind oder damit bündig gemacht werden können. Die in die Injektions- und Belüftungsöffnungen eingesetzten Stopfen sollten aus einem Material hergestellt sein, das galvanische Eigenschaften aufweist, die mit den galvanischen Eigenschaften der Metallschichten verträglich sind.
Der Injektionsprozess muss überwacht werden, um ein gleichmäßiges Füllen des Hohlraums ohne Rückdruck sicherzustellen, der ein Aufweiten und eine ungleichmäßige Plattendicke verursachen könnte. Die Injektion kann auch unter Verwendung von Schläuchen durchgeführt werden, die nach und nach zurückgezogen werden, wenn sich der Hohlraum füllt.
Nach der Herstellung und während der Lebensdauer des Laminats kann es erforderlich sein, zu überprüfen, ob das Elastomer richtig an den Metallschichten haftet. Dies kann mittels Ultraschall oder Gammastrahlentechniken erfolgen.
Um beschädigte Elemente zu reparieren oder wenn das Elastomer nicht richtig haftet, wird der beschädigte Bereich der Metallplatte gesägt (kaltgeschnitten) oder brenngeschnitten und das Elastomer wird herausgeschnitten oder ausgehöhlt, z.B. unter Verwendung einer Fräsvorrichtung oder von mit Druck beaufschlagtem Wasser (Nassstrahlen), bis das gute Elastomer freiliegt und ein Schweißrand erzeugt worden ist. Die freiliegende Oberfläche des verbleibenden Elastomers muss ausreichend sauber sein, so dass neues Elastomer anhaftet, das in-situ gegossen wird.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend sowohl bezüglich Marineanwendungen als auch bezüglich Hoch- oder Tiefbauanwendungen beschrieben. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für Anwendungen geeignet, bei denen signifikante Belastungen in der Ebene und in der Querrichtung erwartet werden, wenn ein Widerstand gegen Schlagbelastungen erforderlich ist, wenn eine erhöhte Ermüdungsbeständigkeit oder eine Beständigkeit gegen eine Rissausbreitung erwünscht ist.

Claims

Ein Strukturlaminatelement, das eine erste Metallschicht, die eine erste Innenfläche und eine erste Außenfläche aufweist, eine zweite Metallschicht, die eine zweite Innenfläche und eine zweite Außenfläche aufweist, wobei die zweite Metallschicht von der ersten Metallschicht beabstandet ist, eine Form, die sich zwischen der ersten Innenfläche und der zweiten Innenfläche befindet, und eine Zwischenschicht aus einem Elastomer umfasst, die sich in den Räumen zwischen der ersten Innenfläche und der zweiten Innenfläche befindet, die nicht von der Form eingenommen werden, und die an der ersten Innenfläche und der zweiten Innenfläche haftet.
Strukturlaminatelement nach Anspruch 1, bei dem die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht durch die Elastomerzwischenschicht ohne Zusammenschweißen von Metallzwischenplatten aneinander gebunden sind.
Strukturlaminatelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Form aus einer Mehrzahl von Unterabschnitten hergestellt ist.
Strukturlaminatelement nach Anspruch 3, bei dem die Unterabschnitte länglich sind.
Strukturlaminatelement nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Mehrzahl von Unterabschnitten durch Verbindungselemente verbunden ist.
Strukturlaminatelement nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei dem die Unterabschnitte Ausrichtungsvorsprünge aufweisen, die von den Oberflächen der Unterabschnitte zum Kontaktieren der ersten Innenfläche oder der zweiten Innenfläche vorstehen.
Strukturlaminatelement nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Unterabschnitte hohl sind.
Strukturlaminatelement nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem die Unterabschnitte der Form nicht alle die gleiche Gestalt aufweisen.
Strukturlaminatelement nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem die Unterabschnitte der Form nicht alle einheitlich beabstandet sind.
Strukturlaminatelement nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem die Querschnittsfläche der Unterabschnitte größer ist als die Querschnittsfläche der Verbindungselemente.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem sich eine Mehrzahl von Formen im Wesentlichen über die gesamte Länge des Elements erstreckt, so dass die Zwischenschicht eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten länglichen Rippen bildet.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner mindestens eine Scherplatte umfasst, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten und der zweiten Schicht ist und sich zwischen diesen erstreckt und an die Zwischenschicht gebunden ist.
Strukturlaminatelement nach Anspruch 12, bei dem die mindestens eine Scherplatte Durchgangslöcher aufweist.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Form aus einem Schaum, vorzugsweise aus einem Polyurethanschaum (PU-Schaum) ausgebildet ist.
Strukturlaminatelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Form aus Polypropylen hergestellt ist.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Form in partiellem Kontakt mit mindestens einer der ersten und der zweiten Metallschicht steht.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem kontinuierliche Pfade von der ersten Innenschicht zu der zweiten Innenschicht vorliegen, welche die Form umgehen.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem gerade Pfade von der ersten Innenschicht zu der zweiten Innenschicht vorliegen, welche die Form umgehen, und die geraden Pfade im Wesentlichen senkrecht zu der ersten und der zweiten Metallschicht sind.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem sich zusätzlich lasttragende Metallelemente zwischen der ersten und der zweiten Innenfläche befinden, jedoch nicht an diese geschweißt sind.
Strukturlaminatelement nach Anspruch 19, bei dem das Elastomer an den zusätzlichen Elementen haftet.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Elastomer einen Elastizitätsmodul E größer oder gleich etwa 250 MPa und eine Duktilität aufweist, die größer ist als diejenige der Metallschichten.
Strukturlaminatelement nach Anspruch 21, bei dem das Elastomer einen Elastizitätsmodul größer oder gleich etwa 275 MPa aufweist.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Elastomer eine Zugfestigkeit und eine Druckfestigkeit von mindestens 2 MPa aufweist.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Elastomer eine Bindungsfestigkeit an den Metallschichten von mindestens 1 MPa aufweist.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Elastomer kompakt ist.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht um etwa 20 bis etwa 250 mm voneinander beabstandet sind.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht jeweils eine Dicke im Bereich von etwa 2,0 bis etwa 25 mm aufweisen.
Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis der Gesamtdicke der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht zur Dicke der Zwischenschicht im Bereich von 0,1 bis 2,5 liegt.
Eine Marine-Baustruktur oder eine Hoch- oder Tiefbaustruktur oder ein Kessel, die/der mindestens ein Strukturlaminatelement nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturlaminatelements, das die Schritte des Ausstattens einer ersten und einer zweiten Schicht, die sich in einer voneinander beabstandeten Beziehung befinden, mit einer Form, die teilweise in Kontakt mit beiden Metallschichten steht und die sich in einem Kernhohlraum befindet, der zwischen den beiden Platten definiert ist, wobei die Form den Kernhohlraum teilweise füllt, des Gießens eines ungehärteten Elastomers in den Kernhohlraum, und des Härtens des Elastomers, so dass dieses an den Metallschichten haftet, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die zusätzlichen lasttragenden Metallelemente zwischen der ersten und der zweiten Innenfläche positioniert sind, jedoch nicht mit diesen in Kontakt stehen.
Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, bei dem die Form aus einem Schaum, vorzugsweise aus einem Polyurethanschaum (PU-Schaum) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 30, 31 oder 32, bei dem die zusätzlichen lasttragenden Metallelemente integral mit der Form gegossen sind.
Verfahren nach Anspruch 30, 31, 32 oder 33, bei dem die zusätzlichen lasttragenden Metallelemente integral mit dem Elastomer gegossen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34, bei dem das Elastomer im gehärteten Zustand einen Elastizitätsmodul E größer oder gleich etwa 250 MPa und eine Duktilität aufweist, die größer ist als diejenige der Metallschichten.