Table Of ContentFORSCHUNGSBERIClITE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2457
Herausgegeben im Auftrage des Ministerprlsidenten Heinz KUhn
vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Dr. -Ing. Harald Schorn
Institut fur Bauforschung
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Direktor: o. Professor Dr. -lng, Karlhans Wesche
Grundlagen fUr das Verformungsverhalten
hochbelastbarer unbewehrter Elastomerlager
Westdeutscher Verlag 1975
© 1975 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN 978-3-531-02457 -8 ISBN 978-3-322-88273-8 (eBook)
DOl 10.1007/978-3-322-88273-8
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INHALTSVERZEICHNIS
Seite
1. Einleitung 1
2. Ubersicht Uber das Forschungs
gebiet "Elastomerlager" 2
3. Der elastomere Werkstoff 3
3.1. Allgemeine Grunds~tze 3
3.2. Physikalisch-mechanische Eigen
schaften von der Lagerfunktion 5
3.2.1. Allgemeine Grunds~tze 5
3.2.2. Kenngr5~en der Elastizit~t 6
3.2.3. Harte 7
3.2.4. Zeitabh~ngige Verformungen 8
3.2.5. Kristallisation 8
3.3. Lagerbauarten 9
3.3.1. Topflager 9
3.3.2. Bewehrte Lager 9
3.3.3. Unbewehrte Lager 10
3.4. Ph~nomenologische Betrachtungen
an Lagern 10
4. Verformungstheoretische Vorstel
lungen und Verformungsgleichungen
fUr Elastomerlager 11
4.1. Definitionen 11
4.2. Vertikallasten 11
4.2.1. Bewehrter Lagertyp 11
Verformungsvorstellungen und de
ren Grundlagen, Verformungsglei
chungen und Beurteilung
4.2.2. Unbewehrter Lagertyp 22
Verformungsvorstellungen und de
ren Grundlagen, Verformungsglei
chungen und Beurteilung
4.3. Horizontallasten und Momente 28
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Seite
5. Durch Versuche erwartete Ruck 30
halte und Konsequenzen fur
Lagerbemessungen
5.1. Vergleich des Verformungsver 30
haltens bewehrter und unbe
wehrter Elastomerlager
Bewehrter Lagertyp - Verformungs 31
gleichungen
Unbewehrter Lagertyp - Verfor 31
mungsgleichungen
5.4. Proble~atik der Messung der ela 32
stischen Kenngro~e Eo bzw. G
6. Versuche 34
6.1. Problemorientierte Versuche 34
6.1.1. Auswahl variierter und konstant 34
gehaltener
Einflu~gro~en
6.1.1.1. Allgemeine Grunds~tze 34
6.1.1.2. Elastomerart 34
6.1.1.3. KontE!ktfl~che 35
6.1.1.4. Probenform 36
6.1.2. Versuchsprogramm 37
6.1.3. Probenherstellung und Durchfuhrung 38
der Einzelversuche
6.1.4. Auswertungsgang und Darstellung 39
der Versuchsergebnisse
6.2. Erg~nzungsversuche 41
6.2.1. Verformungsmodul 41
6.2.2. Langzeitverhalten 42
6.2.3. Betonkorper als Kontaktfl~che 42
7. Auswertung von Versuchsergebnissen 43
7.1. Vergleich bewehrter/unbewehrter Lagertyp 43
7.2. Bewehrter Lagertyp 44
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Seite
8. BewertunOg der Zeitabh§.ngigkeit
von Verformungen 46
9. Anwendungsbeispiel 52
10. Zusammenfassung 53
11- Tabellen Tl bis T13
12. Bilder Bl bis B28
13. Literaturverzeichnis Ll bis L6
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GRUNDLAGEN FUR DAS VERFORMUNGSVERHALTEN HOCHBELASTBARER
UNBEWEHRTER ELASTOMERLAGER
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1. Einleitung
Hochbelastbare elastomereWerkstoffe haben zuerst als
BrUckenauflager ihren Eingang ins Bauwesen gefunden.
Es sind drei Bauarten zu unterscheiden: das Topflager
mit der Charakteristik eines Punktkipplagers, das be
wehrte Elastomerlager, in seiner Funktion etwa einem
Doppelrollenlager entsprechend, und das unbewehrte Ela
stomerlager. Das unbewehrte Elastomerlager hat insbe
sondere im Betonfertigteilbau die Aufgabe, an den Un
terstatzungspunkten 5rtliche Spannungsspitzen auszuglei
chen und planm&~ige Bauteilverdrehungen zu erm5glichen.
In der Uberwiegenden Zahl ihrer Anwend~ng unterliegen
diese im Bauwesen einsetzbaren Lagertypen einer vor
wiegend statischen Beanspruchung. Dynamisch belastete
"Gummifedern" set zen eine ingenieurm&~ige Fragestellung
meist in Zielrichtung auf maschinentechnische Forderun
gen voraus, welche naturgem&~ verschieden ist von der
jenigen bei Auflagerproblemen im Hoch- und BrUckenbau.
Aus Versuchsreihen weitgehend empirisch gewonnene For
meln im Zusammenhang mit umfangreichen Zulassungsversu
chen an ganzen Lagern erlauben fUr bewehrte Lager zur
Zeit eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung unter
bestimmten einschrankenden Bedingungen. Neben den Vor
bereitungen zur Normung bewehrter Lagertypen sind in
zwischen Richtlinien fUr unbewehrte Lager erarbeitet
- 2 -
worden, die die Durckspannungen auf den sehr
zul~ssigen
geringen Wert von 50 kp/cm2 begrenzen und somit im Sin-
ne hochbelastbarer Lager nicht relevant sind. Hochbelast
baren Elastomerlagern mUssen aber Spannungen zugemutet
werden k5nnen, die den zu erwartenden Betondruckspannun
gen entsprechen. Ublicherweise werden zugelassene be
wehrte Elastomerlager fUr Spannungen von rd. 150 kp/cm2
ausgelegt. Bei kann dieser Spannungs
Teilfl~chenbelastung
wert gegebenenfalls auf tiber '400 kpl cm2 anwachsen.
Sieht man vom relativ einfachen Fall des Topflagers ab,
so bedarf die Entwicklung von Bemessungsgrundlagen hoch
belastbarer Elastomerlager einer hinreichenden Kenntnis
Gegebenheiten des Verformungsverhaltens,
grunds~tzlicher
insbesondere desj enigen unbewehrter Lager.
Elastomerlager sind in der Literatur auch unter anderen
Bezeichnungen bekannt: z. B. Gummilager, Neoprenelager,
Elastomere-Lager.
2. Ubersicht Uber das Forschungsgebiet "Elastomerlager"
Die Bearbeitung des Gesamtgebietes sich grob unter
l~et
teilen in der im Bild 1 dargestellten Form. Ausgehend von
bereits vorhandenen Untersuchungen ist der groee im Bild
1 gekennzeichnete Bereich Gegenstand der vorliegenden Un
tersuchungen. Konkrete Bemessungsregeln bleiben dem Be
reich rein anwendungstechnisch orientierter Forschung
vorbehalten, die auf die Grundlagen aufbauend erfolgver
sprechend wird.
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3. Der elastomere Werkstoff
3.1. ~!!g~m~!~~_gr~ng~g~~~
Elastomere sind hochpolymere Werkstoffe, die gem§2 der
Temperaturabh§ngigkeit ihrer mechanischen Eigenschaften
ihren Platz in der allgemein Ublichen Klassifizierung
technischer Hochpolymere finden. So sind als wesentli
che Oberbegriffe in Anlehnung an die begriffsbildende
DIN 7724E, 2.69, die Thermoplaste, Duromere und Elasto
mere zu unterscheiden. Zweckm§2igerweise bedient man
sich dazu eines Diagramms (Bild 2), das den Schubmodul
G stellvertretend fUr die Gesamtheit der physikalisch
mechanischen Eigenschaften in Abh§ngigkeit von der Tem
peratur darstellt.
Technisch gebr§uahliche Elastomere sind durch Vulkanisa
tion vernetzte Materialien und werden gerne mit diesem
Kriterium - nicht unbedingt in Obereinstimmung mit der
DIN 7724E - von den Thermoelasten begrifflich getrennt,
siehe Saechtling und Zebrowski /1/. Unter VUlkanisation
versteht man nach RBmpp /2/ die Bildung von Querverbin
dungen (Vernetzungen) zwischen den langen MolekUlketten
von Natur- und Synthesekautschuk, wodurch der Kautschuk
hochelastisch wird. Die Trennung gummielastischer Stof
fe vom Gesamtbereich der Kunststoffe ist noch gelegent
lich in der Literatur zu finden. Eine derartige Unter
scheidung ist historisch bedingt; sie ist mit der Ent
wicklung der Synthesekautschuke Uberholt. Man unterschei
det heute eine Reihe verschiedenartiger Synthese~aut
schuke, von denen als einige wichtige Vertreter stehen;
Styrol-Butadien-Kautschuk
Chloroprenkautschuk (CR)
Butylkautschuk
Nitrilkautschuk
Chlorsulfoniertes Poly§thylen
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Chlorhydrin-Kautschuk
Polysulfid-Kautschuk
Silikonkautschuk
Polyurethane
Im speziellen Anwendungsbreich der Baulager hat man den
Rohstoff Chloroprenkautschuk, Kurzbezeichnung CR, am
ehesten in den Markt eingefilhrt. Dafilr waren neben den
verfahrenstechnischen Vorzilgen dieses Materials bei sei
ner Herstellung und Vulkanisation sein befriedigendes
Dauerstandverhalten, sein positives Verhalten bezilglich
Witterungs- und sowie seine Wi
Alterungsbest~ndigkeit
derstandsf~higkeit hinsichtlich der meisten bauilblichen
Chemikalien ausschlaggebend, siehe z. B. Fischer 131
und Schneider 14/. Zur Zeit basieren die Werkstoffe filr
Baulager fast ausschlie~lich auf der chemischen Stoff
gruppe CR. Das vernetzbare Rohmaterial wird vor seiner
VUlkanisation mit einer Reihe von Zus~tzen (Hilfs- und
FUllstoffen) versehen, die so abgestimmt werden, da~ so
wohl die mechanischen Eigenschaften als auch die chemi
sche und die
Widerstandsf~higkeit Alterungsbest~ndigkeit
ein Optimum erreichen, siehe z. B. Weissert 15/. Es
liegt auf der Hand, da~ die Durchfilhrung derartiger Ma~
nahmen bei Gew~hrleistung eines in seinen Eigenschaften
gleichbleibenden Produktes gro~er Erfahrung bedarf und
eine st~ndige Kontrolleres Fertigungsvorganges erfordert.
Dieses Erfordernis kommt auch in einem Vorschlag filr die
Werkstoff-Gilteilberwachung 161 zum Ausdruck. Genaugenom
men w~ren die handelsUblichen formulierten Lagerwerkstof
fe stets als "gefilllte" Vulkanisate zu bezeichnen: der
Einfachheit halber verzichtet man jedoch im technischen
Bereich meist auf den entsprechenden Hinweis. Eine recht
detaillierte Ubersicht ilber grunds~tzliche Formen des Mi
schungsaufbaus, des FUllstoffes und einiger chemischer
Grundlagen wird z. B. von Kluckow und Zeplichal 171 ange
geben.
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Die Zusammensetzung von Polychloroprenmischungen (= Mi
schungen aus Chloroprenkauts~huk) aus Grund-, Hilfs- und
FUllstoffen unterscheidet sich wesentlich je nach Art
des technischen Artikels, der hergestellt werden soll;
z. B. Dachbahnen, Dichtungsprofile oder Baulager, siehe
dazu auch Handbuch fUr die Gummi-Industrie /8/. Doch auch
verschiedene auf dem Markt fUr Lagerzwecke angebotene
Polychloroprenvulkanisate k6nnen noch erhebliche Ungleich
m~eigkeiten in ihrem Eigenschaftsbild aufWeisen. Wegen
seiner gr02en Bedeutung fUr die Herstellung von Lagerma
terial war bislang im wesentlichen das Polychloropren (CR)
Gegenstand von Untersuchungen. Obwohl eine Vielzahl von
Kunststoffen auf Tauglichkeit fUr Lagerzwecke untersucht
wurde, siehe z. B. /9/, sind mit RUcksicht auf grunds~tz
liche Eignung und Wirtschaftlichkeit der Fertigung aueer
CR im wesentlichen nur Naturgummi (NR) und ~thylen-Pro
pylen-Copolymerisate (EPDM) hervorzuheben. Naturkautschuk
als Grundlage eines Lagermaterials erlaubt es einerseits,
leicht zu einer qualitativ hochwertigen Mischung mit sehr
niedrigen Schubmodul zu kommen; andererseits schneidet das
Material auf Naturkautschukbasis in einigen Merkmalen des
Alterungsverhaltens relativ schlecht gegenUber CR abo
3.2. fbl!i!!!i~£b:m~~b!ni~£b~_~ig~n~£b!!~~n_Yn!2b~ngig
Y2n_g~~_~!g~~!Yn~~!2n
3.2.1. ~l!g~m!i~e_G!u~d!~lZ!
Der Verformungsmechanismus elastomerer Werkstoffe ist
verschieden von dem der bekannten klassi
grunds~tzlich
schen Baustoffe. Elastomere Werkstoffe kann man sich als
ein Gebilde aus langen MakromolekUlen vorstellen, die in
folge des Vulkanisationsvorganges zu einem
r~umlichen
Netzwerk verknUpft sind. Mechanische Beanspruchungen fUh
ren zu der Struktur mit entsprechenden En
Verkn~uelungen
tropie~nderungen. Die daraus resultierende Entropieela
stizit~t wird durch die DIN 7724E n~her beschrieben als
