Regeln für die Bauteilgestaltung mit CFK

- Fasern in Richtung der angreifenden Lasten
- Möglichst symmetrischer Lagenaufbau

- großflächige Krafteinleitung

FVW - Faserverbundwerkstoff, besteht aus (Harz)-Matrix und Verstärkungsfasern
GFK  - Glasfaserverstärkter Kunststoff
CFK  - Carbonfaserverstärkter Kunststoff (Kohlefaserkunststoff)
SFK  - Synthesefaserverstärkter Kunststoff (Aramid)
Matrix - Einbettungsmaterial für Verstärkungsfasern (meist Duroplaste, z.B. Epoxydharz).
Funktion der Matrix:
- formt das Bauteil
- leitet und überträgt auftretende Kräfte auf die Fasern
- schützt die Fasern
Laminat - (von lat. lamina = die Schicht)
Ein Laminat ist ein flächiges Produkt, das aus einem Verbund von Harz und Faser besteht, unabhängig von seiner Form und dem Fertigungszustand (feuchtes Laminat, ausgehärtetes Laminat).
unidirektional - Bedeuted "nur in eine Richtung".
Die Verstärkungsfasern verlaufen nur in eine Richtung.
bidirektional - Hier verlaufen die Fasern in zwei Richtungen, meist im Winkel von 0°/90°.
multidirektional - Faserverlauf in min. 3 Richtungen, meist 0°/90° und ± 45°
Anisotropie - Unterschiedliche Werkstoffeigenschaften in verschiedene Richtungen,
bei FVW abhängig vom Faserverlauf (in Faserrichtung hohe Festigkeiten, quer dazu geringe).
Isotrope - Werkstoffe sind z.B. Metalle mit gleichen Eigenschaften in jede Richtung.


Quelle: http://www.swiss-composite.ch/pdf/i-FVW-Einfuehrung.pdf

Verbundwerkstoffe

Ein Verbundwerkstoff besteht aus mindestens zwei Materialien (nicht unbedingt Konstruktionsmaterialien), deren Eigenschaften zu einem Werkstoff mit hoher Festigkeit und Steifigkeit vereint sind. Im Bauwesen bedient man sich dieses Verfahrens seit Jahrtausenden. So wurden bereits Steinzeithütten aus Lehm und Stroh gebaut. Ein modernes Beispiel ist der Stahlbetonbau, bei dem die Armierung die Zugkräfte und der Beton die Druckkräfte aufnimmt.

Als moderne Verbundwerkstoffe haben sich vor allem faserverstärkte Kunststoffe bewährt. Dabei unterscheidet man mit kurzen und mit langen (kontinuierlichen) Fasern verstärkte Kunststoffe. Kurzfasrige Verstärkungen kommen vor allem beim Spritzguss bzw. Strangpressen von Kunststoffbauteilen zum Einsatz. Mit langen Fasern verstärkt man große Kunststoffelemente im Schiff-, Behälter- oder Flugzeugbau, bei WKA-Rotorblättern etc. Die Fasern nehmen Zug- und Druckbelastungen, der Kunststoff, die Matrix, Schubspannungen auf.

Kohlefaser im Vergleich zu einem menschlichen Haar 

Cfaser haarrp.jpg

Ein wesentlicher Vorteil von Verbundwerkstoffen ist die Gewichtsersparnis - beispielsweise gegenüber Stahl oder Aluminium. Zum einen sind die Ausgangsmaterialien leicht und mit spezifischen Eigenschaften versehen. Zum anderen lassen sich Verbundwerkstoffe von Anfang an auf den jeweiligen Anwendungszweck optimieren, also durch entsprechende Wahl von Materialkombination und Faseranordnung für bestimmte Belastungsarten konstruieren.

Darüber hinaus zeichnen sich faserverstärkte Kunststoffe gegenüber traditionellen Werkstoffen durch weitere Vorzüge aus - u.a. hohe Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit sowie elektrische und thermische Isolation. In so gut wie allen Branchen sind Verbundwerkstoffe auf dem Vormarsch. In den letzten Jahrzehnten haben sich ihre Vorzüge und hohe Haltbarkeit zunehmend bewährt und herumgesprochen. Gleichzeitig wurden sie durch vermehrte Forschung und Produktentwicklung ständig verbessert, so dass sie heute mit reduzierten und somit realistischeren Sicherheitsfaktoren noch gezielter eingesetzt werden können.


Quelle: http://www.fiberline.de/komposit/kompositter/verbundwerkstoffe

Grundfragen der Ästhetik

Grundfragen der Ästhetik

Zweckerfüllung Bauwerke müssen so gestaltet werden, dass sie auf ersten Blick ihren Zweck erfüllen. Der Zweck bedingt gewisse Tragwerke. Dieses sollte in klarer Form in Erscheinung treten und das Gefühl von Stabilität vermitteln. Die Tragwerksform muss dem verwendeten Material entsprechen.
Form follows function – Die Form folgt der Funktion (Louis Sullivan)Die Gestaltung soll sich aus ihrer Funktion und ihrem Nutzungszweck ableiten. Dabei muss aber nicht auf Ästhetik versichtet werden.

Der schöpferische Vorgang des Entwerfens bei Brücken

Die o. g. Entwurfsdaten müssen nun erfasst werden und im Kopf klar werden. Dann reifen erste Vorstellungen der Brücke in der Phantasie.

Der Entwurf, als Ergebnis des schöpferischen Prozesses, wird nun anhand von Skizzen, Zeichnungen und Modellen dargestellt.

Die erste Skizze wird dann in Ruhe kritisch betrachtet:

Sind Proportionen von Spannweiten zu lichtem Raum gut? Stehen Pfeiler günstig zur Umgebung? … Eine zweite und dritte Skizze folgen, jetzt mit Querschnitten des Überbaus, räumliche Betrachtung und Darstellung folgen.

Wie entsteht der Entwurf einer Brücke?

1. Lageplan mit Angaben der zu überbrückenden Hindernisse, wie Flusslauf, Straßen, Wege, Eisenbahn, bei Tälern Höhenlinien. Gewünschte Linienführung des neuen Verkehrswegs.
2. Längsschnitt entlang der geplanten Brückenachse mit Bedingungen für Durchfahrtshöhen oder Durchflußbreiten, gewünschtes Längsprofil des zu bauenden Verkehrsweges.
3. Brückenbreite – Breite der Fahrspuren, Standspuren, Gehwege usw.
4. Gründungsverhältnisse, Bohrproben mit geologischen und bodenmechanischen Gutachten. (Der Schwierigkeitsgrad der Gründung hat beachtlichen Einfluß auf das Tragwerkssystem und auf die wirtschaftlichen Spannweiten.)
5. Örtliche Verhältnisse, Zufahrtsmöglichkeiten für Antransport der Geräte, Baustoffe und Bauteile.
6. Wetter- und Umweltbedingungen – Hochwasser – Tide- und Wasserstände – Trockenperioden – Frostperioden
7. Umwelt – Anforderungen an schönheitliche Qualitäten: (Brücken im Stadtgebiet, die im Stadtbild wirken und häufig aus der Nähe gesehen werden, besonders Fußgängerbrücken, erfordern eine feinere Gestaltung als Brücken in freier großräumiger Landschaft.

Quelle: Leonhardt, Fritz; Brücken: Ästhetik u. Gestaltung, 2. Aufl.- Stuttgart, Deutsche Verlags-Anstalt 1984

Projektplanung

Bereits Anfang des Jahres haben wir uns im Zuge einer Intensivwoche mit dem Bau einer Brücke aus Faserverstärkten Kunstsstoff auseinandergesetzt. 

http://intensivwoche-fvk.blogspot.com/

Mit Spaß am Entwerfen, aus Neugier am Material und mit unserem Tragwerkslehre Professor im Rücken haben wir uns das Ziel gesetzt, mit mehreren Gruppen an dem Brückenbauwettbewerb teilzunehmen. 

Um die Zeit bis zum Wettbewerbstermin sinnvoll zu nutzen, wurde zunächst von allen Gruppen ein Terminplan erstellt:
Planungsübersicht

1. Entwurf überarbeiten                                           ca.2 Wochen
2. Bau eines kleinen Modells                                     ca.4 Wochen    
3. rechnerische Erfassung der Brücke                        ca.4 Wochen
4. Werkstatt Halle SKZ                                             ca. 1 - 2 Wochen 
5. Rekapitulation von FVK bei Brücken                       ca. 2 Woche 
6. Bau der Brücke                                                      ca. 3 Wochen
7. Stichtag zur Prüfung der Brücke in Augsburg          24.10.2011

Brückenbauwettbewerb

Aufgabe:

Bau einer Modellbrücke. Die Brückenmaße betragen mindestens (LxB) 800x250mm². Für die komplette Brücke gilt eine Gewichtsbeschränkung von 1,2 kg. Die Brücke muss mit einer H0 Eisenbahn befahrbar sein.

Material und Belastung:

Die Materialwahl ist freigestellt, ein 50%iger Anteil an Faserverbund ist jedoch notwendig. Die Belastung erfolgt mittels 3-Punkt-Biegeversuch bis zum Versagen.

Skizze:

Für die Krafteinleitung während der Prüfung muss zentral der Brückenfläche eine Stahlplatte (150x300mm²) aufgebracht werden. Diese ist mittels einer Gewindestange mit der Prüfmaschine verbunden. Die dafür notwendige Bohrung (s. Skizze) befindet sich mittig in der Brückenfläche und hat einen Durchmesser von 20 mm.

Bewertung:

                     A-Note:           Bewertung der maximalen Belastung
                                            im Verhältnis zur Masse.
                     B-Note:           Vorhersage der Bruchlast
                Sonderpreis:         Für die optisch ansprechendste Brücke

Termin:                               24.10.2011 an der IHK Schwaben in Augsburg


http://www.carbon-composites.eu/leistungsspektrum/brueckenbauwettbewerb