Ist von konstruktivem Kunststoffbau die Rede, so kann damit verallgemeinernd natürlich die gesamte Bandbreite des Einsatzes von Kunststoff in konstruktiven Anwendung im Bauwesen die Rede sein. Vielfach werden Kunststoffe als Abdichtungsmaterialien oder als Membranen als dünne Folien eingesetzt. Oder aber als zugbeanspruchte Membranen für Überdachungen oder bei Fassaden. Oftmals sind Kunststoffe auch verstärkt mit Fasern als Faserverbundwerkstoffe im Einsatz. Vielfach kommen dabei keine spezifischen Werkstoffgesetze des Kunststoffes zur Anwendung.
Anders verhält es sich bei Kunststofflagern, die als Verformungslager wirken. Die Lager bestehen aus Naturkautschuk NR (Milchsaft tropischer Pflanzen) oder Chloroprenkautschuk CR (Synthetische Herstellung aus Chloropren).
Verfügbar sind im Kunststoffbau:
– Thermoplaste: Sind unvernetzt, schmelzbar löslich, sind plastisch formbar und haben einen hohen Elastizitätsmodul.
– Thermoplastische Elastomere: Sind Thermoplaste, die sich aufgrund des molekularen Aufbaus wie Elastomere verhalten. Sind schwach vernetzt, schmelzbar löslich und haben einen gummielastisch kleinen Elastizitätsmodul.
– Elastomere: Sind nicht schmelzbar und nicht löslich, aber quellbar und haben einen gummielastisch kleinen Elastizitätsmodul.
– Duroplaste: Sind stark vernetzt, nicht schmelzbar, nicht löslich, nicht quellbar, nicht plastisch, aber formbar mit einem hohen Elastizitätsmodul. Das Verhalten ist spröd wie bei Epoxydharzen.
Elastomere sind weitmaschig vernetzt und dreidimensional wirkend, sodass eine Gummielastizität in Anspruch gestellt werden kann.
Anders als bei klassischen Baustoffen sind gummiartige Materialien fast gänzlich inkompressibel. Die Inkompressibilität bezeichnet die Volumenkonstanz bei Belastung, die eine der wesentlichen
Eigenschaften von Gummi darstellt. Folglich haben gummiartige Werkstoffe einen sehr hohen Widerstand gegen Volumenverformungen. Die Verformungen spielen sich folglich bei konstantem Volumen ab: Eine Verkürzung in eine Richtung wird folglich direkt in eine Verformung in einer anderen Richtung übertragen.
Die folgenden Verformungen sind denkbar: Druckverformung, Scherverformung, Auflagerverdrehung.
Die Härte ist ein Oberflächenmerkmal, das allerdings keinen Rückschluss auf die innere Festigkeit zulässt.
In Abweichung klassischer Baustoffe ist das thermische Verhalten allerdings wesentlich weitreichender, da sich Zustandsänderungen abspielen. Elastomere, die als Auflager verwendet werden, verfügen über ein Dehnungsverhalten von über 400%. In Bereichen, die für das Bauwesen nicht interessant sind, beträgt die Dehnung auch über 1000%. Bei Zugbeanspruchung richtet sich die Molekülkette neu aus, während bei Entlastung der Ursprungszustand wieder eingenommen wird. Es wirken die Gesetzmäßigkeiten der Entropie.
Im Bereich der Glasübergangstemperatur ändert sich das Verhalten drastisch. Dieses variiert von gummielastischem Verhalten im Temperaturbereich über der Glasübergangstemperatur zu hart-spröde im Temperaturbereich unterhalb der Glasübergangstemperatur. Bestimmte Kunststoffe werden im Bereich über und andere im Bereich unter der Glasübergangstemperatur verwendet.
Unbewehrte Gummilager zwischen 0,5 und 5 cm verhalten sich bei Belastung volumenkonstant. Bei geringer Pressung vollzieht sich anfangs ein Gleiten, später ein Rollen. Im Brückenbau spielen unbewehrte Gummilager keine Rolle.
Die Haftreibung ist eine wesentliche Größe zur Bemessung von Elastomerlagern. Horizontalkräfte werden grundsätzlich über Haftreibung in das Auflager übertragen. Andererseits beeinflusst die Haftreibung das vertikale Tragverhalten wesentlich.
Jede Druckkverformung von Elastomerlagern ist mit einer Schubverformung verbunden. Durch die horizontale Verformung sinkt die vertikale Tragfähigkeit ab. Bewehrte Elastomerlager werden mit geringer Schubsteifigkeit und hoher Drucksteifigkeit konstruiert.
Soll die Verformung bei Belastung möglichst gering sein, kommen bewehrte Elastomerlager zum Einsatz, indem zugfeste Scheiben eingesetzt werden. Dies erfolgt über mehrere Schichten Bewehrungsblecher. Wesentlich ist zur Bemessung nicht nur die Zugfestigkeit der so genannten Bewehrung, sondern vor allem auch die Haftreibung.
Bei bewehrten Elastomerlagern wird die Kraft auf die Bewehrung übertragen. Neben der Zugfestigkeit der Bewehrung ist die Haftreibung zwischen Bewehrung und Elastomer wesentlich. Es wird davon ausgegangen, dass eine chemische Verbindung zwischen Bewehrung und Elastomer besteht. Die Bemessung richtet sich nach der notwendigen Mindestfläche, weil überflüssige Gummiflächen sich in Verformungen und Zwängungen äußern. Die Bemessung der Bewehrung richtet sich nach den technischen Bestimmungen.
Dadurch dass die Bewehrung die freie Verformung verhindert, entstehen zwischen den Bewehrungsschichten Ausbauchungen im bewehrten Elastomerlager.
Literatur:
[1] Tobias Block, Helmut Eggert, Wolfgang Kauschke: „Lager im Bauwesen“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2013
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