Zur Gestaltung von keilförmigen Krafteinleitungen in hoch beanspruchten Faserverbundstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Helmut Schürmann
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 163599025

Die Einleitung hoher Kräfte in Strukturbauteile ist meist das Kernproblem bei der Konstruktion mit Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Dies rührt einerseits daher, dass aufgrund der hohen Festigkeit nur dünne Wanddicken vorliegen und ist andererseits in der Anisotropie des Werkstoffs begründet. Da der Kraftfluss in Krafteinleitungsbereichen oftmals quer zur Faser verläuft, führen die geringeren Steifigkeiten und Festigkeiten zu einem vorzeitigen Versagen. Zudem liegt in diesem Bereich aus Montagegründen meist ein Übergang auf einen anderen Werkstoff vor. Dies bedeutet, dass die unterschiedlichen Eigenschaften zweier Werkstoffe berücksichtigt werden müssen.Der Keilanschluss stellt eine hoch beanspruchbare, durch den Formschluss auch sichere und vertrauenserweckende Lösung zur Einleitung konzentrierter Kräfte in Faserverbundstrukturen dar. Eine gleichmäßige Lastverteilung im Keilbereich ist jedoch erforderlich, um die extrem hohen Festigkeiten in Faserrichtung überhaupt ausnutzen zu können. Insbesondere die hohe lokale Klemm-Querdruckbelastung im Übergang zum Keilbereich bewirkt ein vorzeitiges Versagen auf Keilbruch (Bruchmodus C). Sie legt somit die übertragbare Last der gesamten Verbindung fest.Am Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen wurden bereits theoretische und experimentelle Vorversuche durchgeführt. Dabei konnte die Bruchlast des Keilanschlusses durch folgende Maßnahmen gesteigert werden:Variation des KeilwinkelsEinlegen von Kernen aus verschiedenen WerkstoffenOptimierung der Keilproben-FertigungEine weitere interessante Variante stellt der Keilanschluss in rotationssymmetrischer Ausführung dar. Durch sie können Rohranschlüsse und -verschlüsse in FKV-Bauweise in Rohre integriert werden.Im Rahmen des beantragten Projekts sollen die Maßnahmen zu Steigerung der Keil-Bruchlast auf eine solide Basis gestellt werden. Primäres Ziel ist es, die bisherigen Ergebnisse deutlich zu erweitern, insbesondere zu vertiefen und optimierte Lösungskonzepte zu finden. Außerdem soll eine experimentelle Validierung der Keillösungen erfolgen. Darüber hinaus gilt es, die Ergebnisse des Keilanschlusses mit rechteckigem Querschnitt auf rotationssymmetrische Rohranschlüsse zu übertragen.Übergeordnetes Ziel ist es, den Faserverbund-Konstrukteuren Konstruktionsregeln an die Hand geben zu können und Daten für die maximale Belastbarkeit eines Keilanschlusses bereitzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen