Kombination Kiefernholm/Kohlerovings sinnvoll?

[AJ]

Hi,

ein Vereinskollege baut sich eine 4m-Ka 6E mit Rippenflügeln und ist sich nicht ganz sicher wie der Holm aufgebaut werden soll.
Er überlegt sich nun, einen 15x5mm Kiefernholm herzunehmen, diesen "auszuhöhlen", also eine Nut einzubringen, in die er dann Kohlerovings legen will.

Ist das eine sinnvolle Kombination?

Es stellt sich die Frage, welches Material nun die Hauptlast trägt, denn soweit mir bekannt ist, definiert das schwächste Material die Belastbarkeit.

 

[Darius]

Hallo Andreas,

ich habe bei meiner 4m Ka 7 den Holm aus 3Stk. 10mmx5mm Kiefer laminiert und zwischen den drei Schichten je eine Lage Aramid. Aramid ist elastischer als CFK und das ist bei der Biegebelastung des Holms sicher besser als rein CFK. Damit der Holm nicht zu massiv wird, sind die drei Teile abgestuft, so dass ganz außen der Holm nur noch 10x5mm groß ist.

Just my 2 Cent

 

[AJ]

Hi Darius,

ich habe mal versucht Deinen Holmaufbau an der Wurzelrippe nachzuvollziehen:

Das würde bei "unserer" Wurzelrippe bedeuten, dass quasi zu wenig Platz für die Steckung wäre (er hat bereits einen 16mm Kohlestab + Hülse = 18mm Gesamtdurchmesser vorgesehen).

Wie sieht Deine Steckung aus, wie gross ist die V-Form an Deinem Modell und wie weit reicht die Steckung in die Fläche hinein ?
Bei "uns" (ich spreche von uns weil ich die Konstruktion nach seinen Vorgaben übernommen habe und ne kleine CNC-Fräse hier stehen habe) sind 3° V-Form, die Steckung reicht 20cm in die Flächenhälfte hinein.

Sähe dann so aus:


Man sieht dass die dünne Steckung ( die Hülse hat ca. 14mm Durchmesser) bei der V-Form voll in den unteren Holm haut - wie hast Du das gelöst?

Oben so, wie es geplant ist- man sieht auch, wie wenig Platz vorhanden ist.

 

[MarkusN]

...soweit mir bekannt ist, definiert das schwächste Material die Belastbarkeit.

So einfach ist das nicht. Die verschiedenen Werkstoffe des Verbundes werden entsprechend ihrer Lage im Biegequerschnitt gedehnt (Wenn wir jetzt einmal annehmen, dass sie scherfest miteinander verbunden sind, sich also nicht gegeneinander verschieben können; das muss man erst mal gewähreisten.)

Jetzt übernehmen die Werkstoffe entsprechend ihres E-Moduls ihre Lastanteile; d.h. der steifere Werkstoff (hier CFK) übernimmt mehr.

Bruch tritt ein, wenn die Bruchdehnung der ersten Komponente überschritten ist. In einem Verbund, wie Du ihn beschrieben hast, wird das i.d.R. die Kohlefaser sein. Zuerstmal bricht nur die Kohlefaser. Allerdings führt die lokale Schwächung zu starker Kerbwirkung am noch intakten Verbund, so dass dann normalerweise die ganze Struktur versagt.

Bei stark unterschiedlichen E-Moduln wie Kohle-Kiefer heisst das, dass das Holz nur einen kleinen Teil der Gesamtlast übernimmt, dass also der Kohleanteil so dimensioniert werden muss, dass er fast die ganze Last aufnehmen kann.
Wenn der Kieferanteil nur die Rolle einer "eingebauten Laminierform" hat, ist das nicht weiter tragisch (allerdings nähme man dafür besser hartes Balsa; Scherfestigkeit muss aber gewährleistet sein, s.o.). Zu unangenehmen Überraschungen kann es aber führen wenn nach dem Motto "Kohle ist gut" nur ein paar Rovings "zur Verstärkung" auflaminiert werden; das ist dann schnell einmal kontraproduktiv.

 

[Thomas K.]

Hallo Andreas,

ich habe eine Ka 6 mit 6,5 m Spw. gebaut. Der Holm besteht aus drei Kiefernleisten 10 mm breit x 5 mm hoch. Sie sind abgestuft und nur mit Epoxi verklebt.Die Steckung läuft nicht ganz im Holm ( wegen der V Form ). Ich habe dann einen kasten um Holm und Steckung gebaut und den mit Epoxi aufgefüllt. Es hat bisher noch keine Probleme gegeben.

Ich habe auch schon eine ASK 13 gebaut ,dort haben wir den Holm aus einer Kiefernleiste 20 mm breit x 10 mm hoch auf 5mm x5mm am Randbogen verjüngt, das hatte auch eine sehr gute Festigkeit zur Folge.Mit der Steckung habe ich es ähnlich wie bei der Ka 6 gemacht ( V Form und Vorpfeilung ). Etwas vor dem Holm mit der Steckung in die Wurzelrippe rein und dann langsam hinter dem Holm bei Rippe 4 wieder rauszukommen. Die Ganze Steckung gut mit dem Holm verklebt und die K 13 war ausreichend Stabil. Ach ja die K 13 hatte 5,33 m Spannweite.

Gruß Thomas

 

[Yeti]

Es stellt sich die Frage, welches Material nun die Hauptlast trägt, denn soweit mir bekannt ist, definiert das schwächste Material die Belastbarkeit.

So, wie es auf dem unteren Bild aussieht, ist das gar kein Holm, sondern es sind zwei Holme, die aber beide die zur Verfügung stehende Bauhöhe nicht mal annähernd ausnutzen.

Ein Holm besteht aus zwei Gurten und einem Steg, der beide Gurte verbindet. Die Gurte übertragen das Biegemoment in Form von Zug- und Druckkräften, der Steg dazwischen überträgt die Querkraft und wird dabei auf Schub belastet.

Auf dem unteren Bild sehe ich aber keinen Steg.

Aramidfasern (Kevlar) sind für Gurte völlig unbrauchbar, da sie zwar eine hohe Zugfestigkeit, dafür aber eine miserable Druckfestigkeit haben. Und wie Markus schon richtig bemerkte: Wenn man unterschiedlich steife Materialien einsetzt, dann muss der steifste Werkstoff in der Lage sein, die komplette Last zu tragen. Also kein Materialmix bei den Gurten! Der Steg hingegen sollte sogar aus einem anderen Material sein. Je höher die Biegesteifigkeit des Steges, desto größer auch seine Beanspruchung. Da er aber in erster Linie die Querkraft übertragen soll (Schubbelastung unter 45°), muss der Steg nicht biegesteif, sondern schubsteif sein.

 

[AJ]

Hi,

da hab ich mich unklar ausgedrückt, sorry.
Es geht erstmal um die Holmgute, da kommt natürlich eine Verkastung hochkant dran. Es soll aber vorwiegend ein reiner Holzbau sein, auch wenn Kohlerovings im Hinterkopf herumschwirren.
Die Bilder sind quasi nur massstabsgetreue Skizzen, um sich das besser vorstellen zu können, besonders das untere Bild diente (mir) nur dazu um das, was ich vermutete bildlich vor Augen zu führen (nämlich keinen Platz für die Steckung).
Vorgesehen sind beidseitig 1,5 - 2mm Sperrholzverkastung bis zur Störklappe, der Rest Balsa.

Was wäre denn nun am sinnvollsten : nur Kiefernleisternholmgurt, oder doch eine "Laminierform" (Kiefer oder Balsa hart) mit Nut für Kohlerovings?

 

[Darius]

Hallo Andreas,

das Profil meiner Ka7 scheint dicker zu sein und zudem ist durch die Vorpfeilung auch mehr Platz für die V-Form. Die Steckung wandert relativ schnell hinten raus und kann neben dem Holm etwas tiefer runter.

Die eingebaute Steckung ist ein 18mm GFK mit einem 20mm CFK Rohr.

Hier ein paar Bilder:

Und weil ich es grad so schön fand ein Bild für Phillip Gardemin

 

[Volker Cseke]

Hallo,

lass die Kohle weg und bau in Holz. Das hält mehr als ausreichend. Wenn die Ka6 nicht für DS genutzt wird ist das der richtige Weg. Wenn doch DS, dann bitte Holm außerhalb des Flügels entsprechend bauen und dann in den Flügel integrieren. Dann bitte aber auch alle anderen Elemente auf den Holm auslegen!

Ein MIX erreicht immer weniger als die eine oder andere Lösung.

Viele Grüße

Volker

 

[Yeti]

Was wäre denn nun am sinnvollsten : nur Kiefernleisternholmgurt, oder doch eine "Laminierform" (Kiefer oder Balsa hart) mit Nut für Kohlerovings?

Ich kann mir kaum vorstellen, dass man bei einer Ka6 CfK-Gurte benötigt

 

[AJ]

Hi,

ich tendiere ja auch zum Ohne-Kohle-Flügel, aber wie überzeuge ich den Kollegen?
Der Ka6-Flügel ist ürsprünglich "abgeguckt" von 2 Plänen, die mir der Kollege mitgegeben hat - einmal einen von Müller oder Möller aus Dortmund, der die Gfk-Rümpfe dazu herstellt (der aber kurzfristig nur den Plan liefern konnte) und noch ein anderer vom vth.
Beide haben ziemlich mickrige Kiefernholmgurte ( ca. 7x(1.5*4) bzw. ca. 8x5), was uns beiden für einen 4m-Segler recht wenig erscheint, allerdings auch eine recht dicke Wurzelrippe mit 15% (grosser Holmgurtabstand).

Wenn mir jemand sagen würde dass Holmgurte um die 10x5mm in Ordnung sind (5mm Gurthöhe, lieber nicht mehr wegen der grossen Steckung) dann wäre ich ja beruhigt

 

[Darius]

Hallo Andreas,

ich bin kein Statiker, aber genau betrachtet machst Du mit einem Holm und der Verkastung einen Doppel T-Träger. Dessen Kräfte lassen sich sicher relativ einfach berechnen und da kommt es mehr auf Zug- und Druckbelastung an, als auf Biegebelastung. Bedeutet, dass die Größe gar nicht soooo entscheidend ist (Sag ich ja schon immer ). Wenn man das gut baut, kommt man durchaus mit einem kleineren Holm aus. Alleine Vertrauen muss man haben, weil die Konstruktion erst stabil wird, wenn alles erledigt ist...

 

[Dennis Schulte Renger]

Moin Darius!

und da kommt es mehr auf Zug- und Druckbelastung an, als auf Biegebelastung

Das musst du anders sehen.

Der Flügel wird auf Biegung belastet (und auf Torsion, aber die ist für den Holm recht egal). Aus dieser Biegebelastung (Biegemoment) resultieren in den Holmgurten Zug- und Druckspannungen. (bei positiven Figuren Druck im Obergurt und Zug im Untergurt).
Zudem muss der Steg die Querkraft übertragen in Form von Schubspannungen.

Also kann man die Biegebelastung und die Zug-Durckbelastung nicht wirklich voneinander trennen

 

[MarkusN]

Ist diese Dimensionierung der Holmgurte durch die gefrästen Rippen vorgegeben? Die ist nämlich relativ ineffizient. Wie schon erklärt wurde, führt die Biegelast im Holm zu Zug- und Druckspannungen in den Gurten. Am effizientesten übernehmen die die Lasten möglichst weit aussen. Ein Holmgurt soll also eher breit und flach sein als schmal und hoch. (Auch wenn der einzelne Gurt hochgestellt biegesteifer ist.)

Als zusätzlichen Vorteil hat man dann auch mehr Platz für die Steckung.

 

[MarkusN]

Wenn mir jemand sagen würde dass Holmgurte um die 10x5mm in Ordnung sind (5mm Gurthöhe, lieber nicht mehr wegen der grossen Steckung) dann wäre ich ja beruhigt

Scheint mir immer noch relativ mickrig, je nachdem was Du damit anstellen willst. Hast Du mal Angaben zu Wurzelrippenhöhe und geschätztem Rumpfgewicht? Dann kann ich dir das rechnen.

So eine Ka 6 bewegt man ja nicht so heftig, aber schon in einem einfachen, rund geflogenen Looping kommen unten fast 5g zusammen. Schnell fliegen tut man sie auch einmal, dann muss nur noch etwas Turbulenz dazu kommen, dann können das noch mehr g werden. (Bei den grossen heisst das maximale Manövergeschwindigkeit; das ist die Geschwindigkeit, bei der die Struktur noch hält wenn man bis Ca max zieht.)

 

[Darius]

Ist diese Dimensionierung der Holmgurte durch die gefrästen Rippen vorgegeben? Die ist nämlich relativ ineffizient. Wie schon erklärt wurde, führt die Biegelast im Holm zu Zug- und Druckspannungen in den Gurten. Am effizientesten übernehmen die die Lasten möglichst weit aussen. Ein Holmgurt soll also eher breit und flach sein als schmal und hoch. (Auch wenn der einzelne Gurt hochgestellt biegesteifer ist.)

Als zusätzlichen Vorteil hat man dann auch mehr Platz für die Steckung.

Da magst Du recht haben, allerdings waren die Rippen tatsächlich so vorgegeben. Die Good News ist, dass der Holm zum Aussenflügel zweimal abgestuft ist und somit deutlich dünner wird.

Das musst du anders sehen.

Der Flügel wird auf Biegung belastet (und auf Torsion, aber die ist für den Holm recht egal). Aus dieser Biegebelastung (Biegemoment) resultieren in den Holmgurten Zug- und Druckspannungen. (bei positiven Figuren Druck im Obergurt und Zug im Untergurt).
Zudem muss der Steg die Querkraft übertragen in Form von Schubspannungen.

Also kann man die Biegebelastung und die Zug-Durckbelastung nicht wirklich voneinander trennen

Das wollte ich auch gar nicht trennen! Interessant ist, dass die Zug-Druckbelastung eben nicht durch möglichst "dicke" Holme realisiert wird, sondern eben durch breite, flache Konstruktionen. Ich habe das bei meinem EPP Frettchen eindrucksvoll probiert, indem ich 3x1mm Kohlestäbe oben und unten flach in den Flügel geklebt habe. Das Ding ist extrem Bretthart!!

Damit könnte der Holm der Ka6 gestärkt werden, indem der Kieferholm um auflaminierte CFK Rovings ergänzt wird. Also KEINE Nut einfräsen, sondern eben oben (oder unter dem Holm) eine schöne Laminatschicht einbauen...

 

[MarkusN]

Damit wären wir dann zurück zur Ausgangsfragestellung: Das geht, aber dann sollte das CFK ausreichend dimensioniert werden, um die ganze erwartete Biegelast aufzunehmen.

 

[AJ]

Hi nochmal,

ursprünglich wollte er ja die Gurte ganz aus Kohle machen, und zwar mit Cfk-Leisten von EMC-Vega, bei denen eine Leiste 4x1,1mm 3 24k-Rovings entspricht. Das Problem dabei ist aber, dass es diese nicht in 2m Länge gibt.
Davon waren ursprünglich 3 Leisten pro Gurt (=9 24k-Rovings) vorgesehen, so abgestuft, dass 3 Leisten bis ca. Mitte Störklappe gehen, die restlichen 2 bis Mitte Querruder und die letzte Leiste bis ganz aussen.

Rumpfgewicht? Keinen Schimmer wie schwer Flächen und Rumpf/Leitwerke werden. Laut Plan soll ein Fluggewicht von ca. 6kg erreicht werden.

Die Wurzelrippe hat ca. 46mm an der dicksten Stelle.

 

[Gast_3969]

Dazu empfehle ich eine Google Suche nach dem Schlagwort "Widerstandsmoment" und zur weiteren Erläuterung "T-Träger".

 

[Gast_8624]

Hallo Andreas,
schau mal hier:
http://www.cb-roter-baron.de
unter ASH25 Mi Flächenbau.
Dort findest Du das super gute Holmauslegungsprogramm von C. Baron in Excel.
Da kannst Du den Holm in Holz oder in Kohle rechnen wie Du es magst. Einen Materialmix würde ich Dir nicht empfehlen.
Spiel ein bischen mit den Parametern, dann siehst Du schnell wie sich das auf den Holmquerschnitt auswirkt.