E@S Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus W4 Plast Sandwichkonstruktioner ) /9/ Y Jesper Abell Carl Østervig Jørgen Kloster Ole Kiilerich Dansk Teknologisk Institut Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannelse i et samarbejde mellem Danmarks Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter Risø
Plast Sa ndwichkonstruktioner 1. udgave, 1. oplag 1994 Undervisningsministeriet - Lov 271 Grafisk design: Grethe Jensen og Inger Vedel, DTI Grafik Sats: Repro-Sats Nord, Skagen Tryk: Omslag: Reproset, København Indhold: DTI Tryk, Taastrup DTI Forlag Dansk Teknologisk Institut ISBN 87-7756-315-8 Kopiering i uddrag er tilladt med kildeangivelse
Plast Sandwichkonstruktioner Forord 9 Forord til W4.... 11 1 Benævnelser.... 13 1.1 Symboler.......................................................... 13 1.2 Indekser... 14 1.3 Forkortelser....................................................... 15 1.4 Ordforklaringer.,................................................ 15 2 Hvorfor sandwichkonstruktioner? 19 2.1 Indledning 19 2.2 Sandwichprincippet 19 2.3 Historie............................................................ 21 2.4 Karakteristiske sandwichegenskaber 22 2.5 Virkemåde 22 2.6 Litteratur.......................................................... 24 3 Lovgivning og standarder.......... 25 3.1 Dansk byggelovgivning......................................... 25 3.1.1 Byggeloven 25 3.1.2 Bygningsreglementer 26 3.2 Brandmæssige forhold.......................................... 28 3.2.1 Brandprøvning 29 3.3 Termisk isolering 31 3.4 Anvendelseseksempler.......................................... 31 3.5 Tysk byggelovgivning........................................... 32 3.5.1 Brandteknisk klassifikation 33 3.6 Øvrig international byggelovgivning.......................... 38 3.7 Litteratur.......................................................... 39
4 Dimensionering af sandwichkonstruktioner.... 43 4.1 Bjælker............................................................ 44 4.1.1 Bøjning af sandwichbjælker med tynde skaller 44 4.1.2 Bøjning af sandwichbjælker med tykke skaller 49 4.1.3 Torsion af sandwichbjælker 56 4.2 Plader.............................................................. 58 4.2.1 Bøjning af plader med tynde skaller 59 4.2.2 Bøjning af plader med tykke skaller.... 64 4.3 Skaller............................................................. 67 4.4 Stabilitet.......................................................... 67 4.4.1 Global stabilitet af sandwichbjælker med tynde skaller.... 69 4.4.2 Global stabilitet af sandwichbjælker med tykke skaller.... 71 4.4.3 Global stabilitet af sandwichplader... 71 4.4.4 Lokal stabilitet af sandwichbjælker og -plader.... 72 4.5 Tidsafhængige, mekaniske laster 74 4.5.1 Periodiske laster 74 4.5.2 Impulser.... 75 4.5.3 Udmattelse.... 76 4.6 Optimering........................................................ 78 4.7 Spændingskoncentrationer 78 4.7.1 Indførelse af koncentrerede laster... 78 4.7.2 Huller og kærve 79 4.7.3 Revner og brud.... 79 4.8 Termiske forhold................................................. 80 4.8.1 Spændinger og deformationer... 80 4.8.2 Varmetransmission... 82 4.9 Akustiske forhold 82 4.10 Brandmæssige forhold.......................................... 83 4.11 Vanddampdiffusion.............................................. 84 4.12 Viskoelastiske og viskoplastiske effekter..................... 85 4.12.1 Krybning... 86 4.12.2 Relaksation... 86 4.12.3 Modeller.... 87 4.12.4 Viskoelastiske egenskaber af sandwichkonstruktioner... 87
4.13 4.13.1 Avancerede analyseværktøjer. Finite element-metoden. 88 88 4.14 5 5.1 Litteratur. Materialevalg. Generelt. 90 91 91 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 Metodik for materialevalg. Projektspecifikation. Kravspecifikation. Konvertering. Materialevalg. Skalmaterialer. Skallernes funktion. Materialer. Karakteristiske materialeegenskaber. 91 92 92 94 96 96 96 96 99 5.4 Kernematerialer................................................ 101 5.4.1 Kernens funktion... 101 5.4.2 Egnede kernematerialer..... 101 5.4.3 Karakteristiske materialeegenskaber... 105 5.5 Grænselaget 107 5.5.1 Grænselagets betydning... 107 5.5.2 Egnede materialer...... 108 5.6 Kantbegrænsninger............................................ 109 5.6.1 Egnede materialer 109 5.7 Materialevalg... 110 5.7.1 Langtidsværdier..... 110 5.8 Specielle anvendelsestekniske krav.......................... 112 5.9 Materialedatabaser. 113 5.10 Litteratur 113 6 Fremstillingsmetoder 115 6.1 Limede konstruktioner 116 6.1.1 Lim... 116 6.1.2 Forbehandlingafplader 118
6.1.3 Påføring 120 6.1.4 Kontinuerlig limning..... 132 6.1.5 Fiksering 132 6.1.6 Presning........... 133 6.1.7 Procesparametre... 135 6.2 Laminering på skumkerner.................................... 135 6.2.1 Kontinuerlig laminering....... 135 6.2.2 Celleplast-plankemetoden...................... 136 6.3 Formstøbte sandwich.......................................... 138 6.4 Injicerede kernematerialer, ægte sandwich..... 140 6.4.1 Procesbeskrivelse 141 6.4.2 Skalmaterialer 142 6.4.3 Skumsystemer 142 6.4.4 Udstyr.... 143 6.4.5 Fyldning, flydning og pakning 144 6.4.6 Kontinuerlig injektion... 145 6.4.7 Processtyring... 145 6.5 Injicerede skaller................................................ 146 6.6 Integralskum.................................................... 147 6.7 Indsatse i sandwichkonstruktioner........................... 148 6.8 Litteratur........................................................ 149 7 Sammenføjning af sandwichelementer.... 151 7.1 Lasttyper i sammenføjninger 151 7.2 Sammenføjningsmetoder 151 7.2.1 Stumpsammenføjninger 152 7.2.2 Hjørnesammenføjninger.................... 155 7.2.3 T-sammenføjninger............................... 157 7.2.4 Afslutninger......................... 158 7.3 Dimensionering af sammenføjninger 159 7.4 Litteratur 160
8 Reparation af sandwichkonstruktioner..... 161 8.1 Typiske skader på sandwichkonstruktioner 161 8.1.1 Skader på skaller 161 8.1.2 Kernematerialet... 161 8.1.3 Grænselag 162 8.2 Fejl- og skadesfinding.......................................... 163 8.2.1 Undersøgelse af skaller 163 8.2.2 Undersøgelse af kerne og grænselag... 164 8.3 Reparationsmetoder........................................... 165 8.3.1 Reparation af metalskaller 165 8.3.2 Reparation af kompositskaller. 167 8.3.3 Reparation af skaller af andre plast.... 171 8.3.4 Reparation af kerne... 171 9 Anvendelse 173 9.1 Landtransport 173 9.2 Søtransport. 175 9.3 Lufttransport.................................................... 176 9.4 Byggeri........................................................... 177 9.5 Sport og fritid... 178 9.6 Industriprodukter............................................... 178 10 Kontrol og prøvning 181 10.1 Kvalitetsstyring................................................. 181 10.2 Kontrol........................................................... 183 10.2.1 Råvarekontrol. 184 10.2.2 Proceskontrol...... 187 10.2.3 Færdigvarekontrol 194 10.3 Prøvning... 195 10.3.1 Metoder til destruktiv og ikke destruktiv prøvning af sandwichkonstruktioner 195 10.3.2 Ikke standardiserede prøvningsmetoder...... 205 10.4 Litteratur 206
11 Arbejdsmiljø- og miljøforhold 207 11.1 Tildannelse af skalmaterialer 207 11.2 Tildannelse af kernematerialer 208 11.3 Sammenføjning af skal og kerne............................. 209 11.4 Tildannelse af sandwichelementer 209 11.5 11.5.1 11.5.2 11.5.3 11.5.4 11.5.5 11.5.6 11.5.7 11.6 11.7 11.8 11.8.1 11.8.2 11.8.3 11.8.4 11.9 11.10 Generelle risici.................................................. 210 Medicinske faremomenter.......... 210 Hudkontakt 210 Personlige værnemidler 211 Luftforurening 211 Støjbelastning... 213 Helbredsrisici ved udvalgte materialer... 213 Grænseværdier...... 215 Brandmæssige forhold 217 Arbejdsstedets indretning..................................... 218 Arbejdsmiljølovgivningen..................................... 222 Miljøministeriets bekendtgørelser 223 Justitsministeriets bekendtgørelser.... 223 Bestemmelser om stoffer og materialer.... 223 Presser..... 225 Eksternt miljø................................................... 226 Litteratur........................................................ 227 Appendiks.... 229 Standarder nævnt i kapitel 10 Stikord.... 249
Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget system af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til at arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer over plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materialetype vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning og konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontrol. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessystem er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighed for at sammensætte et kursusforløb, som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybden med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sine kvalifikationer til flere materialetyper fx inden for et emne som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vores håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågældende kursus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidrag til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos den enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslagsbog og kilde til supplerende viden, er den forsynet med mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekster og index, der letter opslag. Visse afsnit i teksten vil være skrevet med andre typer, samt forsynet med en grå streg langs margen som indikation af, at det pågældende afsnit specielt henvender sig til læsere med ingeniørmæssig baggrund el.lign.. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget af en arbejdsrnappe indeholdende supplerende materialer, øvelsesvejledninger, opgaver m.v. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmarks Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RISØ samt en række danske virksomheder. En række medarbejdere i virksomhederne har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ved 9
deltagelse i følgegrupper. Udviklingsarbejdet er foretaget med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov 271 - Lov om Efteruddannelse), og herunder har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt de tilknyttede referees ligeledes ydet en god indsats med henblik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materialets indhold. Taastrup, marts 1994 På konsortiets vegne Lorens P. Sibbesen (projektadministrator) 10
Forord tii W4 Sandwichkonstruktioner forventes i årene fremover at få stærkt stigende anvendelse. I relation til kurserne under lov 271 er det derfor naturligt at behandle denne type konstruktioner. Denne bog kan bortset fra kapitel 4 læses uden særlige forudsætninger; men da mange af de omhandlede konstruktioner er fremstillet af celleplast og plastkompositskaller, er det en fordel at have et vist forudgående kendskab til sådanne materialer. Hvad den sidstnævnte materialegruppe angår, kan der bl.a. henvises til lærebøgerne hørende til modulerne P7 Plast - Konstruktion, F4 Avancerede fiberkompositter Fremstilling og ikke-destruktive undersøgelser og F2 Fiberforstærket plast. I denne bog beskrives bl.a. princippet i sandwichopbygninger, almindeligt anvendte materialer og kombinationer af disse, dimensionering af sandwichkonstruktioner og metoder til kontrol og prøvning af de færdige konstruktioner. Derudover gennemgås visse af de love, der regulerer anvendelsen af plastbaserede sandwichkonstruktioner, og de regler, der har relevans for selve fremstillingen. Århus, marts 1994 Carl Østervig Ole Kiilerich Jørgen Kloster Jesper Abell 11
Benaevneiser 1 Symboler 1.1 I denne bog anvendes nedenstående symboler, der specielt knytter sig til kapitel 4 vedrørende dimensionering af sandwichkonstruktioner: A B D E F G J M N p Q R T V W Z a d f h j k l m n p q r u Forskydningsstivhed af kernemateriale Bøjningsstivhed Stivhed; torsionsvinkel Elasticitetsmodul Flade Forskydningsmodul Inertimoment Bjælkebøjningsmoment Bjælkenormalkraft Kraft Bjælkeforskydningskraft; varmemængde Forholdet mellem største og mindste last ved udmatteisesprøvning Torsionsstivhed; temperatur Volumen Modstandsmoment Diffusionsmodstandstal Afstand mellem tyngdepunktslinier i skaller; bølgelængde Vægtykkelse Frekvens Tykkelse af kernemateriale Imaginær enhed Tællevariabel Tællevariabel Bjælkelængde Pladebøjningsmoment; pladetorsionsmoment; masse Pladenormalkraft; pladeforskydningskraft Fladelast, partialtryk Pladeforskydningskraft; linielast; fugtstrøm Radial, polær koordinat Skaltykkelse; tid Deformation i x-retning 13
v w x y z Deformation i y-retning Deformation i z-retning Retvinklet koordinat Retvinklet koordinat Retvinklet koordinat a Varmeovergangstal at Varmeudvidelseskoefficient ~ Drejningsvinkel E Tøjning 'A Varmeledningstal; geometrisk konstant f..l Masse pr længdeenhed v Poissons forhold, tværkontraktionsforholdet ~ Dimensionsløs, retvinklet koordinat (J Normalspænding 'T Forskydningsspænding <I> Krybemodul Ul Egenfrekvens 1.2 Indekser B D F K L M Q S Brud Skal Fladetryk Kerne Luft Hidrørende fra bøjningsmoment Hidrørende fra forskydningskraft Tyngdepunkt; forskydning a d j k m o u x y z Ydre Tryk Indre Nummereringsindeks Nummereringsindeks Middel Øvre Nedre x-retning y-retning z-retning (j = l, 2, 3 ) (k = 1,2,3 ) 14
Forkortelser 1.3 Ud over de nævnte symboler anvendes en række forkortelser for plastmaterialemes navne og benævnelser. I teksten anvendes følgende forkortelser: ABS Acry1nitril/butadien/styren EP Epoxyplast EPS Ekspanderet polystyren G/EP Glasfiberforstærket epoxyplast G/PF Glasfiberforstærket phenolplast G/PUR Glasfiberforstærket polyurethan GMT Glass fibre mat reinforced thermoplastics GUP Glasfiberforstærket umættet polyester MF Melaminplast PF Phenolplast PI Polyimid PIR Polyisocyanurat PMI Polyacrylimid PMMA Polymethylmethacrylat PP Polypropylen PS Polystyren PUR Polyurethan PVC Polyvinylchlorid UP Umættet polyester Ordforklaringer 1.4 Afbinde Det, at en lim reagerer eller tørrer. Anisotropi Et anisotropt materiale er et materiale, der har forskellige egenskaber i forskellige retninger. Binder Harpiks eller plast, der anvendes som bindemiddel i en lim eller maling. Blokskum Celleplast, udstøbt i blokke, ofte ved en kontinuerlig proces. Blæsemiddel Stof, anvendt til at skabe ekspansion under fremstilling af hule emner eller emner med cellestruktur. 15
Cargocontainer Løs eller fastmonteret kasse til varetransport, der kan sættes på lastvognchassis, togvogn eller lignende. Celleplast Plast, hvis massefylde er reduceret af talrige små, åbne eller lukkede celler, fordelt i hele massen. Cellulær Om et materiale, hvis struktur er opbygget af celler. CFC Blæsemiddel, baseret på klorerede fluorcarboner, eksempelvis R11 og R12. Coil Rulle af eksempelvis karosseriplade. Drivmiddel Det samme som blæsemiddel. Eksoterm Det, at der udvikles varme under en given proces. Eksotermtop Den højeste temperatur, der forekommer ved hærdereaktionen af en hærdeplast. Grænselag I denne bog anvendes ordet om laget mellem skallen og kernen i en sandwichkonstruktion. Harpiks Organisk polymert materiale, der er basis for et plastmateriale. HCFC Såkaldte bløde fluorcarboner, eksempelvis R143a. Honeycomb Kernemateriale til fremstilling af sandwichkonstruktioner; består oftest af celler med heksagonalt tværsnit. Cellevæggene kan eksempelvis være af phenolplastimprægneret papir, aluminium eller polyethylen. 16
Integro-differentialligning Ligning, hvori der indgår både integraler og differentialer. Intern audit Intern revision af et kvalitetsstyringssystem. Isotropi Et isotropt materiale er et materiale, der har samme egenskaber i alle retninger. Iterativ (proces) Proces, der gentages. Konstitutiv En konstitutiv betingelse er i styrkelæren en relation, som sammenkæder spændinger og tøjninger, eksempelvis Hookes lov. Kontaktmåtte En glasfibermåtte, beregnet til at blive lagt mellem et laminat og kernen i en sandwichkonstruktion med det formål at forbedre kernens forankring til laminatet. Matrix Et materiale, der anvendes til at fastholde et fiberarrangement i den ønskede geometri; anvendes ofte om materialerne epoxyplast, polyester og phenolplast i kompositmaterialer. Mikroballoner Små, hule kugler af glas eller phenolplast; anvendes eksempelvis som fyldstof i lim og i spartelmasse. Monolitisk En monolitisk konstruktion er en konstruktion, der kun består af et materiale. NDT-metode (Non Destructive Test) Ikke destruktiv prøvningsmetode. Opskumningsmiddel Det samme som blæsemiddel. Ortrotopi Et ortotropt materiale er et materiale, hvori der findes en vis grad af symmetri af egenskaber. 17
Peak exotherm Det engelske udtryk for eksotermtop; anvendes ofte også på dansk. Peel Afrivning. Adskillelse af limemner ved kraftpåvirkning vinkelret på limemnernes plan. Peelstyrke En lims styrke bestemt ved afrivning vinkelret på limemnernes plan. Plastskum Det samme som celleplast. Prepreg Et halvfabrikat af forstærkningsfibre og matrixmateriale, hvor plasten endnu ikke har reageret. Sagging Engelsk for synkende eller hængende: Den nedbøjning med deraf følgende spændinger, der opstår i et skib, når det bæres af en bølge i hver ende. Skumplast Det samme som celleplast. SMC (Sheet Moulding Compound) Halvfabrikat i pladeform bestående af forstærkningsfibre, der er imprægneret med et matrixmateriale; ofte bestående af glasfibre og polyester. SMC-anlæg Anlæg til fremstilling af forimprægnerede fiberarrangementer. Transcendent ligning En ikke algebraisk ligning. En transcendent ligning kan ikke løses ved et endeligt antal algebraiske operationer (addition, subtraktion, multiplikation og division). Åbentid Den tid, der er til rådighed, fra en lim påføres, tillimemnerne skal være sammenføjet for at opnå korrekt klæbning. 18
Hvorfor sandvvichkonstruktioner? 2 Indledning Alle materialer, der anvendes i ingeniørmæssig henseende, har deres begrænsninger på de områder, hvor de ønskes anvendt. 2.1 Alle materialer har deres begrænsninger på de områder, hvor de ønskes anvendt Det gælder både de naturligt forekommende materialer og de menneskeskabte. Materialernes pris, deres styrke, stivhed, tilgængelige dimensioner, levetid osv. er alle faktorer, der sætter grænser for de slutprodukter, der ønskes tilvejebragt. Antikkens tempel-, bro- og kuppelkonstruktioner, der hovedsageligt blev udført af naturligt forekommende eller brændte stenblokke, viser os gennem den strenge og snævre, modulære opbygning og de begrænsede spændvidder (ca. 10 m for de længste buespænd og knapt 45 m for de største kuppeldiametre) begrænsningerne af de dengang kendte, ypperste byggematerialer. Eiffeltårnet i Paris fremstod også i mange år som eksponent for den højeste konstruktion, der kunne opnås ved anvendelse af en nittet gitterkonstruktion med anvendelse af valsede stålprofiler. Vejen frem mod opbygning af større, hurtigere og billigere konstruktioner består i at anvende kompositmaterialer (eksempelvis jernbeton og fiberforstærket plast) og/eller kompositkonstruktioner (fx hængebroer, automobiler, fly, højhuse), og netop den sandwichopbyggede enhed er et typisk og udbredt eksempel herpå. Vejen frem består i at anvende kompositmaterialer og/eller kompositkonstruktioner Sandwichprincippet Grundprincippet i alle sandwichkonstruktioner består i at anordne to samarbejdende "skaller" også betegnet overfladelag i en forudbestemt indbyrdes afstand, se figur 2.1. Overfladelagenes udstrækning er normalt relativt stor i deres eget (lokale) plan, dvs.overfladelagene er ofte relativt tynde. 2.2 Grundprincippet i alle sandwichkonstruktioner består i at anordne to samarbejdende "skaller" i en forudbestemt indbyrdes afstand 19
Overfladelagene kan udføres af forskellige materialer, og de kan have forskellige tykkelser, uanset hvilke materialer der anvendes. I særlige tilfælde kan det ene eller endog begge overfladelag selv være opbygget som en sandwich; i andre tilfælde er der indlagt særlige materialelag i sandwichkonstruktionen, således at der eksempelvis fremkommer en "triple-sandwich". Figur 2.1 Eksempler på sandwich-udformninger a b c d e f g h k Skallerne er typisk plane (a på figur 2.1), men de kan også være enkeltkrumme og dobbeltkrumme (b og c på figur 2.1). Skallernes detailudformning er normalt plan, men korrugerede overfladelag forekommer ofte (d på figur 2.1). Den indbyrdes afstand mellem de samarbejdende overfladelag er normalt konstant, men det behøver ikke at være tilfældet, hvor konstruktive forhold betinger tykkelsesvariationer i kernelaget (e og f på figur 2.1), og hvor det ene overfladelag er udført som en korrugeret plade (d på figur 2.1). 20
Skallernes begrænsninger udgør normalt også sandwichkonstruktionens afslutning, dvs. kernelagets afslutning afstemmes til overfladelagenes afslutninger (a på figur 2.1). Ofte anordnes der dog kantbegrænsninger for at sikre, at overfladelagene "samarbejder" (g på figur 2.1); i andre tilfælde indbygges sådanne "sikringer" på nogle på forhånd fastlagte steder inde i sandwichkonstruktionen (h på figur 2.1). I andre tilfælde er det hensigtsmæssigt at lade overfladelag og kernelag afsluttes hver for sig, således at der skabes mulighed for specielle sammenføjninger mellem sandwich-elementer, der i øvrigt er ens (i på figur 2.1). Som et helt specielt tilfælde "fanger" det ene overfladelag det andet i en rumlig sandwichkonstruktion, således at der kun bliver en skal tilbage, der omgiver kernelaget. Herved dannes der profil- og rørformede opbygninger (j og k på figur 2.1), der svarer til naturens egne frembringelser i form af fugleknogier, strå-, siv- og træstammeudformninger. Historie Sandwichopbygningens udformning har, som ovenfor beskrevet, eksisteret i naturen i millioner af år; men de menneskefremstillede udgaver rækker kun nogle få årtusinder tilbage. 2.3 Sandwichopbygningens udformning har eksisteret i naturen i millioner af år Ægyptiske fremstillinger fra det 18. dynasti (14. årh. f.kr.) viser sivopbyggede flåder med et indvendigt og et udvendigt afstivende overfladelag (Ref. 2.1). I enkelte af Leonardo da Vincis mange skitserede "opfindelser" (Ref. 2.2) ses der konstruktive tilløb til "moderne" konstruktioner fra rene gitterkonstruktioner til egentlige sandwichopbygninger. Normalt tilskrives den første egentlige og målrettede beskrivelse af sandwichopbygningen - anvendt som konstruktionsprincip ved brobygning - Fairbairn (Ref. 2.3); men det er først efter flyvemaskinens udvikling i begyndelsen af det 20. årh. og især under og efter de to verdenskrige, at dette konstruktionsprincip har vundet almen industriel udbredelse. Til disse anvendelser er det især de "rumlige" sandwichudformninger, som har fundet anvendelse, og denne udvikling 21
ses her omkring det 20. århundredes afslutning at forløbe i sektorerne for landbaseret transport (Ref. 2.4), mens plane sandwichelementer især finder anvendelse i byggesektoren. 2.4 De resulterende specifikke sandwichegenskaber er bredspektrede Kernelaget bibringer konstruktionen dens varme- og lyddæmpende egenskaber. Overfladelagene giver stivhed og vejrbestandighed Karakteristiske sandwichegenskaber Da sandwichkonstruktioner normalt indeholder mindst to væsentligt forskellige materialer, må det forventes, at de resulterende specifikke sandwichegenskaber er mere bredspektrede end de enkelte indgående materialers tilsvarende egenskaber. Eksempelvis er det overvejende kernelaget, der bibringer konstruktionen dens varme- og lyddæmpende egenskaber, mens det især er overfladelagene, som giver stivhed og vejrbestandighed. Nu er sandwichkonstruktioner sædvanligvis opbygget af relativt tynde og stive overfladelag og med anvendelse af kerne med lav massefylde; i disse tilfælde får konstruktionen følgende egenskaber og fordele: Lav resulterende massefylde Højt stivhed/vægt-forhold Stor bæreevne på tværs af konstruktionen (bjælkefunktion) i forhold til egenvægten Relativt stor bæreevne i konstruktionens eget plan (søjlefunktion) i forhold til egenvægten Høj udmattelsesstyrke ved vekselpåvirkning God lydisolering i sammenligning med homogene konstruktioner med samme vægt eller samme stivhed God varmeisoleringsevne Lille varmekapacitet Fuldstændig vand- og vanddampafvisning ved brug af metalliske overfladelag 2.5 Virkemåde Som anført i afsnit 2.2, består alle sandwichkonstruktioner af mindst to samarbejdende overfladelag, der er anordnet i en vis indbyrdes afstand. 22
Den simpleste sandwichkonstruktion er opbygget af to tynde, stive og stærke (men derfor også relativt tunge) plader, der holdes adskilt af et tykt lag letvægtsmateriale, som besidder langt mindre styrke og generel stivhed, men som dog overalt er i fast fysisk kontakt med begge overfladelag, og hvormed den faste afstand mellem de to overfladelag bevares. Den simpleste sandwichkonstruktion er opbygget af to tynde plader, der holdes adskilt af et tykt lag letvægtsmateriale Et sådant arrangement besidder en væsentligt højere bøjningsstivhed end en konstruktion med samme vægt, men som udelukkende består af overfladematerialet. Figur 2.2 viser, hvorledes et emnets bøjningsstivhed øges markant ved skift fra en "homogen" konstruktion til en sandwichudformning, uden at materialeforbruget vokser væsentligt. Figur 2.2 Homogen opbygning (tr. sandwichudformning (GUP med 40 vægt-o,lo CSM + PUR 40 kg/m 3 ) Bøjningsstivhed 100 Vægt 100 675 103 3675 109 Forskellen beror på den særlige fordeling af snitkræfterne i sandwichkonstruktionen under påvirkning af eksempelvis et bøjende moment. Eftersom kernelaget i modsætning til overfladelagene har et relativt lille træk-e-modul, vil stort set hele bøjemomentet blive overført til overfladelagene i form af kraftpar, der resulterer i en- eller fleraksede henholdsvis tryk- og trækspændingstilstande i lagene. På den anden side kan overfladelagene betragtes som membraner, der ikke kan optage forskydningskræfter vinkelret på membranfladen, hvorfor kernelaget tvinges til at optage og videreføre kræfterne. Kernelagets evne til at overføre de forskydende kræfter betinger i realiteten sandwicheffekten. Kernelagets evne tii at overføre de forskydende kræfter betinger sandwicheffekten 23
I en sandwichopbygning indeholdende en fleksibel eller en semi-fleksibel kerne vil snitkræfterne tendere mod en fordeling, som var overfladelagene alene, dvs. det bøjende moment skulle optages af de svage bøjningsreaktioner fra de tynde overfladelag, der imidlertid ofte ikke kan bære deres egen vægt. Tilsvarende betragtninger kan anstilles ved sandwichkonstruktioner, der er påvirket af torsion (vridning) eller søjletryk eller kombinationer heraf. 2.6 Litteratur 2.1 Howard Carter, Tut-Ankh-Amons Grav, bind III Tv. 51 53 ff, Nordisk Forlag 1934 2.2 E. Winternitz, Leonardo da Vinci as a Musician, Yale Vniversity Press 1982 2.3 W. Fairbairn, An Account of the Construction of the Britannia and Conway Tubular Bridges, London 1849 2.4 B. Lee, The first fibre-composite bus in the world, Conf. Verbundwerk, Demat Exposition Managing 1990 24
Lovgivning og standarder 3 Til visse anvendelser af sandwichkonstruktioner er der lovgivning og standarder, der indskrænker eller regulerer brugen. I det følgende gives eksempler på områder, hvor sådan regulering forekommer med primær vægt lagt på anvendelse inden for byggeriet. Dansk byggelovgivning 3.1 Dansk byggelovgivning består af flere love, der tilsammen danner en helhed. Sammenhængen mellem de enkelte love er illustreret i figur 3.1. Tillæg Andre love I---- Byggeloven I--- BM-fortolkninger Cirkulærer I BR-82 eller BRS-85 ---------------- I I I I DI F-normer SBI-anvisninger MK-godkendelser og DS (ETA) I Prøvning Fremmed overvågning I BYG-ERFA Alment kendt viden I I Brancheanvisninger Firmaanvisninger Figur 3.1 Sammenhængen i dansk byggelovgivning (BM =Boligministeriet, SBI = Statens Byggeforskningsinstitut, MK=materialer og konstruktioner, ETA =European Technical Approval) Byggeloven 3.1.1 Lovbekendtgørelse nr. 357 af 3. juni 1993 gælder for alle bebyggelser og tilbygninger til bebyggelser. Kapitel 2 "Krav til udførelse, indretning og vedligeholdelse af bebyggelser og ejendommes ubenyttede arealer" er det mest interessante, da det indeholder en bestemmelse om, at boligministeren skal 25
udfærdige et bygningsreglement med henblik på bl.a. varetagelse af sikkerhedsmæssige, brandmæssige og sundhedsmæssige hensyn. 3.1.2 Bygningsreglementer Bygningsreglement af 1982 (BR-82) gælder for alt byggeri, der ikke er omfattet af Bygningsreglement for småhuse af 1985 (BRS-85). (BR-82 er i skrivende stund (oktober 1993) under revision og forventes at udkomme i år som BR-93. Hvor der i det følgende henvises til bygningsreglementet, menes BR-82; men alt det omtalte forventes at forblive uændret i den reviderede udgave). Reglementet gælder ikke for en lang række særlige konstruktioner fx broer og elmaster. Mest interessant med henblik på plastbaserede konstruktioner er vel, at gadetelefonskabe, telefonbokse/ læskærme ved stoppesteder, transformatorstationer 0.1. med et areal på højst 30 m 2 og en højde på højst 3 m heller ikke er omfattet af bygningsreglementet, hvilket åbner mulighed for anvendelse af sandwichkonstruktioner til de nævnte formål uden forudgående godkendelse. Bygningsreglement for småhuse (BRS-85) gælder for huse med en helårsbolig, sammenbyggede enfamiliehuse, sommerhuse/ kolonihavehuse, campinghytter, garager, udhuse o.l. Bestemmelserne i de to reglementer med hensyn til konstruktionsmæssige/ fugttekniske og varmeisoleringsmæssige forhold er ens. Brandmæssigt er der en del lempelser i BRS 85 i forhold til BR-82. Materialer og konstruktioner ska I være omfattet af en af Boligministeriet godkendt kontrolordning I begge reglementer er det anført, hvilke normer og standarder der skal anvendes, og at en del materialer og konstruktioner skal være omfattet af en af Boligministeriet godkendt kontrolordning. Endelig er det anført, at forskrifter og anvisninger/ der er godkendt af Boligministeriet, kan anvendes. Sådanne forskrifter er bl.a. SBI-anvisning nr. 147 Konstruktioner i småhuse. Styrke - Fugt - Isolering - Brand. De bestemmelser, som har relevans for plastbaserede konstruktioner/ vil blive nævnt og kommenteret i det følgende. 26