Verbundbalken
Englisch: sandwich beam
Ein zusammengesetztes System, das aus zwei dünnen Außenschichten besteht, die durch einen dicken inneren Kern getrennt sind
Sandwichträger: zwei Deckschichten mit dickem Kern dazwischen
Ein Sandwichträger ist ein Konstruktionselement aus zwei relativ dünnen äußeren Schichten, sogenannten Deckschichten, die auf einen viel dickeren inneren Kern aufgeklebt sind. Die Deckschichten bestehen typischerweise aus hochfestem, steifen Material wie Stahl, Aluminium oder Verbundlaminat, während der Kern meist aus leichtem Material wie Schaum, Balsa oder einer Wabenkonstruktion besteht. Der Kern steht senkrecht zu den Deckschichten und trägt selbst keine Biegespannungen, sondern erhält den Abstand zwischen den Deckschichten, was für die Biegesteifigkeit des Trägers entscheidend ist.
Die Wirtschaftlichkeit eines Sandwichträgers ergibt sich aus der Mechanik von Verbundquerschnitten. Die Biegefestigkeit hängt vom Flächenträgheitsmoment ab, das mit dem Abstand des Materials von der neutralen Achse wächst. Indem Steifmaterial weit vom Mittelpunkt entfernt angeordnet und die Mitte mit leichtem Material gefüllt wird, erreichen Ingenieure hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse. Ein 200 mm hoher Sandwichträger mit 5 mm starken Stahldeckschichten und Schaumkern verformt sich deutlich weniger als ein Vollstahlträger gleichen Gewichts, weshalb Sandwichbauweise in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau und in der Automobilindustrie wertvoll ist, wo Gewichtsreduktion zählt.
Typische Kernmaterialien sind Phenolschaum, Polyurethanschaum, steifer Polyisocyanuratschaum (PIR) und Aluminiumbienenwaben. Kerne werden nach Dichte, Scherfestigkeit und Wärmeeigenschaften ausgewählt. Ein Wabenkern kann 40 bis 100 kg/m³ wiegen, während starrer Schaum zwischen 30 und 150 kg/m³ liegt. Die Verbindung zwischen Deckschicht und Kern ist kritisch; Versagen beginnt oft durch Delamination, bei der sich die Deckschichten vom Kern ablösen, typischerweise verursacht durch Stoßbelastung, Feuchteaufnahme oder übermäßige Scherbeanspruchung an Kanten oder um Aussparungen herum.
Anwendungen und Grenzen
Sandwichträger kommen in Windkraftanlagenblättern, Flugzeugrumpfpanelen, Verbunddeckensystemen und hochleistungs-Rennbooten vor. Im Hochbau werden Sandwichplattensysteme für Vorhangfassaden und modulare Deckenelemente verwendet. Allerdings ist Sandwichbauweise teurer als Vollquerschnitte, und der Fertigungsprozess erfordert kontrollierte Klebebedingungen und Qualitätskontrolle. Kernverdichtung, Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen Deckschichten und Kern sowie Feuchteaufnahme bestimmter Schäume können die Lebensdauer reduzieren, wenn sie nicht beherrscht werden.
Die Bezeichnung widerspiegelt die geschichtete Struktur: Deckschichten sind das Brot, der Kern ist die Füllung. Sandwichträger unterscheiden sich von Verbundlaminate, die aus mehreren dünnen Lagen ähnlichen Materials bestehen, und von Verbundträgern wie geschweißten I-Trägern, die separate Flansche und Stege verwenden statt eines durchgehenden Kernmaterials.