使用塑料与其它材料结合的复合式承载系统.pdf

本发明涉及一种承载系统，它是由不同材料的多个部件组成的。其中，至少有一个用塑料制成的卸载部件。不同部件的载荷传递是通过采用至少一种连接技术的力锁合连接予以实现的。塑料部件可以设计成透明的。

1.  复合式承载系统，其特征在于：
塑料与至少一种另外的材料组合成一个承载系统。

2.  按权利要求1所述的复合式承载系统，其特征在于：
所使用的材料具有不同的弹性模量。

3.  按权利要求1所述的复合式承载系统，其特征在于：
塑料材料具有大于150N/mm²的弹性模量。

4.  按权利要求1或2所述的复合式承载系统，其特征在于：
刚性较大的材料离开重心轴线较远。

5.  按权利要求1至4所述的复合式承载系统，其特征在于：
较软的材料是一种透明的塑料。

6.  按权利要求1至4所述的复合式承载系统，其特征在于：
较软的材料是一种半透明的塑料。

7.  按权利要求1至4所述的复合式承载系统，其特征在于：
较软的材料是一种着色的塑料。

8.  按权利要求1至4所述的复合式承载系统，其特征在于：
较软的材料是一种发光的塑料。

9.  按权利要求1至8所述的复合式承载系统，其特征在于：
在较软的材料中有多个凹穴。

10.  按权利要求1至9中任一项所述的复合式承载系统，其特征在于：
较软的材料可以是一种塑料层压材料。

11.  按权利要求1至10中任一项所述的复合式承载系统，其特征在于：
较软的材料可以是一种多层材料。

12.  按权利要求1至11所述的复合式承载系统，其特征在于：
较硬的材料是木材或一种木质材料。

13.  按权利要求1至12所述的复合式承载系统，其特征在于：
较硬的材料是一种金属材料(铁，钢，铝)。

14.  按权利要求1至12所述的复合式承载系统，其特征在于：
较硬的材料是玻璃。

15.  按权利要求1至12所述的复合式承载系统，其特征在于：
较硬的材料是混凝土或一种天然石料。

16.  按权利要求1至12所述的复合式承载系统，其特征在于：
较硬的材料是一种填充的或玻璃纤维增强的塑料。

17.  按权利要求1至16所述的复合式承载系统，其特征在于：
选择螺钉作为连接手段。

18.  按权利要求1至16所述的复合式承载系统，其特征在于：
选用销钉或夹紧销作为连接手段。

19.  按权利要求1至16所述的复合式承载系统，其特征在于：
选用螺栓作为连接手段。

20.  按权利要求1至16所述的复合式承载系统，其特征在于：
选用铆钉作为连接手段。

21.  按权利要求1至16所述的复合式承载系统，其特征在于：
选用胶粘剂作为连接手段。

22.  按权利要求1至16所述的复合式承载系统，其特征在于：
连接以摩擦为基础。

23.  按权利要求1至16所述的复合式承载系统，其特征在于：
连接利用热变形实现。

24.  按权利要求1至16所述的复合式承载系统，其特征在于：
使用在权利要求15至24中所述连接手段的组合。

25.  按权利要求1至24所述的复合式承载系统，其特征在于：
该承载系统沿水平方向作为受弯梁被加载。

26.  按权利要求1至24所述的复合式承载系统，其特征在于：
该承载系统沿垂直方向作为支柱被加载。

27.  按权利要求1至26所述的复合式承载系统，其特征在于：
两种材料是按I-型组合的。

28.  按权利要求1至26所述的复合式承载系统，其特征在于：
各所述材料被连接成一个实心的承载梁。

29.  按权利要求1至26所述的复合式承载系统，其特征在于：
该承载系统在横截面上是一个多角的箱体形状。

30.  按权利要求1至26所述的复合式承载系统，其特征在于：
该承载系统在横截面上是一种折板结构。

31.  按权利要求1至30所述的复合式承载系统，其特征在于：
该承载系统利用一种刚性较大的材料从下面支撑。

32.  按权利要求1至30所述的复合式承载系统，其特征在于：
使用权利要求25至31的一种组合。

使用塑料与其它材料结合的复合式承载系统
关于本发明的介绍
介绍一种承载系统，由多个不同材料的部件组成。在此，其中至少一个卸载的部件是用塑料制成的。不同部件的负荷转移是通过一种力锁合的联合加以实现的。
这里所介绍的承载系统充分利用不同强度和特殊材料性能，借以能够实现一种尽可能细长的、仍然很有承载能力的而且按照塑料部件的设计是部分透明的、半透明的或乳白的承载系统。这种承载系统例如既可用作为水平的受弯梁，也可以用作为垂直的支撑。
此外，还有其它的承载系统，如桁架结构、四方形承载梁、弯头、以及三维构件如圆盘、板体、折板结构或壳式承载系统。
现有技术
已知有不同的也是透明的复合式承载系统。
木材-玻璃-承载系统：在瑞士洛桑的Ecole PolytechniqueFederale，曾由Julius Natterer教授和Klaus Kreher博士研发出一种结合木材和玻璃的承载系统。这种承载系统由一个垂直的玻璃板体构成，在其两侧粘接上用木材做成的框架。木材框架将负荷加以分配，并针对下述情况对玻璃板体实现一种拉力增强：在超越玻璃的弯曲抗拉强度时玻璃板断裂。在瑞士的旅馆建筑中就曾采用了这种木材-玻璃复合式承载系统(资料来源：Dissertation，Klaus Kreher，EPFLLausanne，2002年)。
混凝土-玻璃-承载系统：在奥地利的格拉茨的工业大学，由Freytag先生进行了关于混凝土-玻璃-承载系统的实验。将玻璃板结合钢筋混凝土弦杆，玻璃板承担推力卸载(资料来源：Dissertation，B.Freytag，TechnischeGraz，2002年10月)。
木材-I型-承载梁：Trus Joist作为世界上第一家企业于1969年生产了一种I型-承载梁，这种承载梁完全是用木材制成的。为了承载梁的支承能力，进行了组合：以胶合板木材作为弦杆材料，以OSB作搭接件材料。利用一种抗水的胶粘剂，通过加热和加压，将这两种基本材料复合起来(资料来源：互联网：http://www.trusjoist.com/GerSite/)。
在WO 2003/023162中介绍了一种配有板件的透明的结构部件，该结构部件通过一个从各个方面围绕该玻璃板的框架得到其承受负荷的和加固的性能。这里所说的板件指的是一种由玻璃和/或聚合物变体组成的多层元件，其彼此粘合起来。提到了不同的塑料(见权利要求8至11)，但仅是多个层的组合。特别是使用了聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)和聚氯乙烯(PVC)。该专利文件中没有提到聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)(PMMA)和其它透明的聚合物如聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯-共聚物(ABS)、苯乙烯-丙烯腈-共聚物(SAN)、聚烯烃，等等。也没有提到PMMA-玻璃-层合板材作为一个承载系统的搭接材料和板材。加固的框架材料也作为层合材料加以介绍。
现有技术的缺点
纵观透明的承载系统，就会想到，配有玻璃的复合式承载系统是非常容易破碎的。
无论是一种木材-玻璃-承载系统还是一种混凝土-玻璃-承载系统，玻璃都是比较刚性的材料。这一情况在受到负荷时就会导致下述结果：相对脆性的和不抗弯的玻璃将负荷吸引过去。从而在玻璃中比起在所用的复合材料中，应力较高。因此，玻璃也是这样一种材料，这种材料早在复合材料能够施展其承载能力之前，便先行出毛病了、不起作用了。
由于一种木材-I型-承载系统或其它复合承载系统缺乏透明性，所以尽管可以经济地进行生产，但不能用作为具有在采光技术和照明技术方面的优点的透明性部件。
本发明的任务和解决措施
本发明的任务在于发展这样一种复合式承载系统，其中，塑料可相应地发挥其材料性能。这些塑料与传统的建筑材料如木材、钢材、铝、玻璃等相比，其特征在于有较低的弹性模量和高的延展性。小的弹性模量的所想象的缺点通过与其它材料巧妙结合而可变成优点。通过这种组合，高的拉应力和压缩应力由较硬的材料接受，而相对小的剪应力则由较软的材料接受。本发明与已知的其它承载系统相比，是一种无框架的承载系统，这种承载系统具有由承受负荷的不同材料部件构成的多个、但是至少一个力锁合的复合。塑料部件可以是多层的但最好还是单层的由均质的材料构成。此外，还可发展出部分透明的、彩色的、甚至发光的承载系统。作为照明元件，除了白炽灯泡或轻质电子管之外，还可使用发光二极管(LED)。因此，几乎可以达到任何在承载系统的光学效果方面的特殊要求。通过各塑料元件的透明性，承载系统便显得十分轻巧。此外，还可以将支柱和受弯梁拼合成一个结构系统。
通过塑料同其它材料的组合，便可制造出一种轻巧的承载系统。在这里，就承载系统而言，可以认为是参与卸载的系统。既可以沿水平方向将负荷传递，如受弯梁或横臂；又可以沿垂直方向传递负荷如立柱。
所谓的受弯梁，指的是上部件或下部件，这里称之为弦杆，是用一种刚性的传统材料如木材、钢材、铝材或玻璃制成的；中间部分，这里称之为搭接部，是用一种或多种塑料制成的。由于刚性上有明显的差异，所以受到负荷时，传统材料将负荷吸引过去，搭接部的作用仅在促成上、下弦杆之间的平衡。两种材料之间的连接要么通过机械连接手段予以实现，例如利用各种螺钉、合销钉、铆钉、夹紧销、螺栓等，要么通过粘接予以实现。在这里也可考虑其它方式的力锁合连接。连接技术的选择关系到力传递的方式，因而也关系到本发明提出的承载系统。
在支柱方面，本承载系统例如是用传统材料的多个小的横截面构成，其纵向抗弯性能是通过这些横截面与塑料板材的连接予以实现的。
材料选择
作为较大刚性的材料，可以选用传统材料例如木材、木制材料、金属、玻璃或混凝土，但也可选用高效塑料或增强的塑料。
作为刚性较小的材料，可选用这样一些塑料，它们具有至少为150N/mm²的弹性模量(按照DIN EN ISO 527加以测量的)，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯-共聚物(ABS)、苯乙烯-丙烯腈-共聚(SAN)、聚氯乙烯(PVC)或者聚苯乙烯(PS)。PMMA是以品牌(一种有介电性质的有机安全玻璃)由GmbH公司经销的。特别良好地适用此种用途的是Plexiglas GS-型，这种型号的玻璃是采用浇铸聚合作用加以制造的。也可使用充填的PMMA-型，这种型号的材料例如是以品名或销售的。还可使用不同层压塑料或层压材料。
复合承载系统的制造
根据本发明提出的复合承载系统的制造方法，就是将棒状的传统材料利用连接手段固定在一个面状的塑料构件上。这种面状的塑料构件的特征在于：它在支承方向上的长度远远大于垂直于支承方向上的长度。该构件的两个相邻的支点也称为支承点之间，高度与长度之比例如为1∶1和1∶80之间，最好为1∶5和1∶40之间，特别优选的是在1∶10和1∶25之间。该构件的高度例如为10至300cm，最好是15至120cm，特别优选的是20至80cm。该构件的厚度例如可以在3和500mm之间。该构件的长度可相应地按建筑上的要求加以选择，面状的塑料构件可以利用粘接方法被加设到所要求的长度上。棒状的传统材料以其长的棱边加以固定。塑料和传统材料之间的连接是通过连接手段予以实现的。
制造举例1：
在其长度为3m、宽度为25cm的10mm厚的有机玻璃形成的透明的板件上，利用螺旋夹，在较长的棱边上分别固定两个市售的、其横断面为24×48mm、长度为3m的木顶板，使得这两个木顶板相对置地位于该塑料板上。穿过这两个木顶板和处于其间的塑料层，按均匀的间距(约10cm)打出直径为8mm的孔。通过这些孔插入六角头螺栓，并以螺母加以保险。在安装完毕之后，卸去螺旋夹。
制造举例2：
在其长度远远大于其宽度的PMMA的透明板上，沿着较长的棱边两侧涂敷一种胶粘剂，这种胶粘剂能将该材料溶解，例如GmbH公司所经销的品牌为的胶粘剂。将木板条从两边压紧在粘合面上，并以螺旋夹钳加以固定。待其硬化之后，并在塑料和木材之间实现材料复合的连接之后，便将螺旋夹钳卸去。
材料复合的制造(连接手段)
各卸载部件之间合适的材料复合具有特别重要的意义，因为这种材料复合对于承载系统的稳定性和负载能力至关重要。
理想的是一种材料锁合的、不可再松卸的连接，其中，连接参与体在原子的或分子的平面上保持在一起。在这里，粘接(焊接、钎焊)或硫化胶合法，也可以说都是可行的方法。
作为其它的连接方法，也可以考虑力锁合的或形锁合的连接技术，这两种技术也可实现足够稳定的连接。作为力锁合的连接技术在这里值得一提的是夹持方法特别是螺旋固定法。
经过形锁合制造所述承载系统的可能性，包括利用铆钉、销子(销钉)、挤压法、收缩法、各材料部分的压力拼接法或热变形法。下面将对几种有利的连接技术做详细说明：
也可以考虑不同连接技术的局部组合。
通过粘合的复合
所谓粘合，优选指的是材料锁合(stoffschlüssig)的连接技术，用于制造此处所述的由不同材料构成的承载系统。
视对材料选择的不同，文献中介绍了各种胶粘剂系统，通常涵盖下列组合：
金属-塑料，木材-塑料，
金属-玻璃，金属-木材，
等等。
根据DIN 16920，一种胶粘剂指的是一种非金属材料，这种胶粘剂材料通过平面粘附力和内部强度将拼合部分彼此连接起来。因此，合适的连接胶粘剂必须至少能够满足两项要求：它们必须既能对一种材料，又能对另一种材料形成足够强的粘合力；它们本身还必须在粘接层中施加一定强度。对一个“被粘接的”材料复合的判断取决于在应用中的典型应力种类。在现在的复合承载系统的情况下，主要的应力就是剪切应力，很少涉及拉应力或者根本不涉及脱层。因此，对胶粘剂连接的一个非常好的判断标准就是所谓的抗拉剪强度，在处于抗拉剪强度下，各拼合部分沿水平方向彼此拉开。这里需要的力越多，则材料复合就越好。
焊接或钎焊对于由一致的材料形成的承载系统当然是可取的，但是在特定情况下例如在金属-轻金属方案或塑料A-塑料B-组合的情况下也可以用作为连接技术。
通过螺钉的连接
在采用通过螺钉连接的方式的情况下，几乎可使用各种螺钉。于此所过完成的是一种力锁合的连接。
在较软的材料条件下，可以使用自行打孔的木螺钉。如果至少有一种硬质材料参与复合的话，则必须经过孔壁、螺钉和螺母来实现各材料参与体的连接。
这时，力传递的机理基本上都在孔壁上。为此务必确定的是：在相关孔壁范围内，各材料中的允许应力不得被超过，从而不会产生减弱承载系统的裂纹或裂缝。一般地说，孔壁形成的孔是略微大于螺钉直径加以选择的。可根据所用的承载系统来选择螺钉固定的相应方法。
通过合销钉的连接
在这里被视作合销钉的，既有木销钉，也可以有其它类型的合销钉，如钢销钉或弹簧。这些合销钉都是在预先打出的孔中在材料之间建立一种孔壁连接。
通过热成形的连接
在塑料和另一种材料之间，也可以通过热变形来实现一种连接。在此，传统的材料有一个不规则的槽，在此槽中嵌入一种加热过的热塑性材料。通过不规则性，在槽中产生许多空穴，热塑性材料进入空穴中从而实现“固定”。
通过收缩的连接
通过冷处理，例如就可将塑料部件置于一个很低的温度。这样，该塑料部件便收缩。于是将该塑料部件配合准确地嵌置到由传统材料制成的两个结构部件之间。通过加热该塑料部件达到所需的温度，它便膨胀，从而如此地夹紧在传统的材料之间。
连接手段：螺钉、螺栓、合销钉、胶粘剂、铆钉、夹紧销、烧结，所有已知的机械性连接技术和粘接的连接技术。
举例：
I型-木材-PMMA
在建筑业中关于采用所述承载系统的一个可能的例子，就是具有一种I-横断面的受弯梁，该受弯梁是由不同的材料组合而成的。该受弯梁的上弦杆和下弦杆是用一种传统的建筑材料制成的，例如金属或木材，而搭接件则是用一种塑料制成的。搭接件的刚度最好小于两个弦杆的刚度，因为这样可以保证：法向应力的较大部分出现在两个弦杆上。塑料搭接件将剪力传递到两个弦杆之间。两种不同材料的连接是利用销子形状的机械性连接件予以实现的。在此，例如可使用螺栓或合销钉。也可以通过粘接方式实现相应的连接。一种透明的塑料，例如PMMA可赋予受弯梁一种有高度美观价值的外观轻巧感。
受弯梁的高度可在10-300cm之间进行调整，其中，塑料搭接件的厚度则在3-500mm之间。两个弦杆的横断面积在其为木材时在5-3000cm²的范围内；在其为钢材时则在1-500cm²的范围内。
根据已建成的例子(参看图1)，构建了一个25cm高的受弯梁，配有一个10mm厚的用XT20070制成的PMMA板。作为弦杆材料可分别使用两种市售的、其尺寸为24×48mm的木顶板。作为连接手段，可使用其直径为8mm的螺钉，螺钉的间距约为10cm。在负荷为5000千克(如图6所示)时，测出其挠曲度约为2cm。
有下支撑的(unterspannter/underbraced)承载梁
对于用透明塑料制成的承载系统同已知的结构类型实现连接的另一个可能性，就是由一种已知的材料(例如铝或木材)、一种塑料和一种拉索制成的有下支撑的承载梁。该有下支撑的承载梁具有一个上弦杆，用以承受压力；和一个可能是透明的塑料搭接件，在其下边上有一个铣削出来的槽，以用于导引一条缆索。该有下支撑的承载梁具有一种鱼肚形状，所以缆索可以在承载梁的端部上与受压弦杆相连接。在此，上弦杆和承载梁的下边都可以具有一种弓形形状。
实心的承载梁
此外，这里所介绍的承载系统也可以被用在一个实心的承载梁上。其中，将两个用传统建筑材料制成的薄板粘贴在实心的塑料承载梁的上下、两边上，作为在该实心塑料承载梁上的铠装，或者用机械性的连接手段加以固定。即使在这种情况下，也首先是相关的弦杆承受着法向应力。在材料选择方面，在这里作为弦杆材料也可用得上玻璃，因为这样在与透明的塑料组合时便可获得一种完全透光的实心的承载梁。另一个方式也可以考虑一种实心的塑料承载梁，在上、下的承载梁边缘上配备一个用钢制成的腱。这种钢腱承受着拉力，从而类似于钢筋混凝土而形成塑料承载梁的一种铠装。
支柱
一种具有特别细长的支柱可以通过传统材料同多个透明塑料板的连接予以实现。采用这种多部式承压构件的情况下，例如有四个金属杆接受压力；与此同时，塑料板则稳定各个压力杆，从而防止其挠曲。其中，立柱的惯性矩比横截面起着更大的作用，所以一种简化的横截面显然是一种轻巧的、从而节省材料的替代方案。关于各个承压构件和板件在平面图中的布置，原则上有多种方案和形式可供考虑，其中，金属元件及木材元件的位置根据静效率之故应尽可能远地离开重心。
附图标记表：
1传统材料
2塑料
3连接手段
4钢索
5重量(1000千克)