Biegeversuch Schubspannung

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Biegeversuch Schubspannung

Ursachen für das Auftreten von Schubspannungen

Bei der Biegeprüfung an Kunststoffen wird in Übereinstimmung mit den bevorzugten Normen der Biegeprüfung von Kunststoffen [1, 2] angenommen, dass im Prüfkörper eine reiner Normalspannungszustand vorliegt. In Analogie hierzu soll beim Scher- oder Stanzversuch ein reiner Scherspannungszustand vorliegen. Beim Vorliegen einer exakten Justierung und einem scharfen Stanzwerkzeug (Bild 1a) wird somit ein qualitätsgerechtes Ergebnis erzielt. Im Fall eines stumpfen Stanzmessers, Abrundungen an den Widerlagern oder einem zu großen Auflagerabstandes wird zusätzlich eine Durchbiegung erzeugt, die zu einem fehlerhaften Produkt führt (Bild 1b).

Bild 1:

Einfluss von Biegung im Stanzprozess

Umgekehrt kann also ein zu geringer Auflagerabstand oder nicht angepasste Auflagerradien eine unzulässig hohe Schubspannung im Querschnitt erzeugen. Dieser Spannungsanteil wird zwar in der Berechnung nicht berücksichtigt, er führt aber im Regelfall zu einer Verringerung der Kennwerte des Biegeversuchs. Das Auftreten der Schubspannung im Biegeversuch kann mit Hilfe von Bild 2 veranschaulicht werden [3].

Enstehung und Verteilung von Schubspannungen im Biegeprüfkörper

Bei Annahme eines Biegeträgers (Bild 2 rechts) oder vier einzelnen übereinander gelegten Biegebalken (Bild 2 links) mit identischer Geometrie und aus dem gleichen Werkstoff, also vergleichbarer Biegesteifigkeit EI_y, wird sich bei Belastung eine annähernd gleiche Durchbiegung einstellen. Beim Vergleich der Randkontur wird sich bei dem Biegeträger ein ebener Querschnitt einstellen, während sich die Biegebalken einzeln verformen und damit eine treppenförmige Kontur des Querschnitts hervorrufen.

Erzeugt man eine Lamitatstruktur des Biegeträgers mit vier verklebten Einzelschichten, dann erkennt man, dass zur Aufrechterhaltung der ebenen Randkontur Kräfte zwischen den Schichten wirken, die sich in einer Schubspannung äußern. Wird die Belastung durch die Schubspannung zu groß, dann treten, wie bekannt, auf der oberen Druckseite Beuleffekte oder auf der unteren Zugseite Delaminationen zwischen den Einzelschichten auf.

Bild 2:

Entstehung und Verteilung der Schubspannung im Biegeversuch

Die Schubspannung erreicht ihr Maximum im Bereich der neutralen Faser und weist eine parabolische Verteilungsfunktion auf (Bild 2). Zur Vermeidung unzulässiger Schubspannungseinflüsse im Biegeversuch muss nach DIN EN ISO 178 [1] ein Längen-Dicken-Verhältnis l/h = 20, bzw. ein Stützweiten-Dicken-Verhältnis von L/h = 16 eingehalten werden. Aufgrund der Schubempfindlichkeit von Laminaten beträgt in diesem Fall das Stützweiten-Dicken-Verhältnis L/h = 20 – 25. Aus dem sogenannten „Short-Beam Bend Test“, d. h. dem Biegeversuch mit engem Auflagerabstand kann man dann an Laminaten die Interlaminare Scherfestigkeit (ILSF) ermitteln [4, 5].

Literaturhinweise

[1]	DIN EN ISO 178 (2017-06): Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften (Normentwurf)
[2]	DIN EN ISO 14125 (2011-05): Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften
[3]	Bierögel, C.: Biegeversuch an Kunststoffen. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 147–158 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[4]	Altstädt, V.: Prüfung von Verbundwerkstoffen. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2011) 2. Auflage, S. 560–561 (ISBN 978-3-446-42722-8; siehe AMK-Büchersammlung unter A 12)
[5]	DIN EN ISO 14130 (1998-02): Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der scheinbaren interlaminaren Scherfestigkeit nach dem Dreipunktverfahren mit kurzem Balken