Technik Michaela Küppers 31. Mai 2022

Technische Informationen

Elastomerlager werden im Hochbau seit über einem halben Jahrhundert eingesetzt. In einem Fachaufsatz der Zeitschrift „Der Bauingenieur 39“ (herausgegeben 1964) wurde erstmalig eine Elastizitätstheorie für bewehrte Gummilager als Brückenlager veröffentlicht. Der Verfasser, Herr Dr.-Ing. Boris Topaloff, lieferte damit erstmals theoretische Berechnungsansätze für dieses werkstofftechnisch komplexe Bauprodukt. Die erste Zulassung für Elastomere Lager im Bauwesen wurde im Jahr 1963 erteilt.

Zuvor wurden Bauteile durch z.B. feste mechanische Verbindungen, einer Mörtelfuge oder einer doppelten Dachpappenlage als Trenn- oder Gleitschicht gelagert, was oftmals zu z.T. erheblichen Bauteilschäden geführt hat. Seitdem hat sich allerdings vieles zum Positiven verändert und es gibt inzwischen hervorragende technische Lösungen für alle denkbaren Herausforderungen im Bereich der Bauteillagerung!

Dem Planer wird durch Elastomerlager die Möglichkeit gegeben, Bauteile zwängungsfrei zu lagern und somit Bewegungen in der Gebäudestruktur zu ermöglichen. Zudem kann durch Elastomerlager die Montagegeschwindigkeit von Fertigteilen deutlich erhöht werden. Des Weiteren können mit Elastomerlagern sogenannte „Auflagerimperfektionen“ (Unebenheiten und Schiefwinkligkeiten von Bauteilen) ausgeglichen und Druckspannungskonzentrationen reduziert werden.

Der wesentliche Rohstoff von Elastomerlagern ist Kautschuk in diversen Variationen. Zusammen mit Füllstoffen, wie z.B. Ruß, bilden Kautschuke den Hauptbestandteil einer Elastomermischung (Masseanteil zwischen 25-60 %). Durch Vulkanisation der Elastomerrohmischung werden chemische Vernetzungsprozesse in Gang gesetzt. Die daraus resultierenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften eines Elastomerlagers werden zum einen durch die Zusammensetzung der Mischung und zum anderen durch Art und Dauer der Vulkanisation bestimmt.

Umfangreiche Details zu den unterschiedlichen Kautschukarten und weiteren Rohstoffbestandteilen in einer Elastomermischung finden Sie im Kapitel „Was ist Gummi“.

Als Gummi (engl. „Rubber“) bezeichnet man in der Technik sogenannte Vulkanisate aus Natur– oder Synthesekautschuken.

Naturkautschuk ist ein gummiartiger Stoff im Milchsaft (Latex), der aus vielen verschiedenen Kautschukpflanzen gewonnen wird.

Synthesekautschuke sind rein industriell hergestellte Kautschuktypen, die auf Basis petrochemischer Rohstoffe erzeugt werden.

Der besondere Vorteil von Gummi ist in erster Linie die Elastizität. Nach mechanischer Zugbeanspruchung (Dehnen) kann sich Gummi bei Entlastung wieder in den Ursprungszustand zurückstellen und das auch wiederholt. Ebenso kann sich Gummi, je nach Typ, auch bei Druckbeanspruchung mal mehr und mal weniger wieder rückverformen.

Gummiartige Werkstoffe sind annähernd inkompressibel. D.h. das Volumen des Körpers ändert sich bei Verformungen (fast) nicht und der Widerstand gegenüber volumetrischen Verformungen ist entsprechend hoch, was zu geringeren Reaktionskräften führt. Eigenschaften, die sich positiv auf die Verwendung als Elastomerlager auswirken.

Naturkautschuk (NR)

NR zeichnet sich durch hohe Festigkeit, auch im ungefüllten Zustand, bei gleichzeitig hoher Elastizität aus. Thermischer Anwendungsbereich: von -50 °C bis +70 °C (Dauertemperatur). Spezielle NR-Werkstoffe können auch bis +100 °C dauerhaft oder kurzzeitig (einige Stunden bis Tage) bis zu 120 °C eingesetzt werden. NR ist nicht ölbeständig und muss bei Ozoneinwirkung durch bestimmte Additive geschützt werden. NR hat von allen Elastomeren die niedrigste Dämpfung und zeigt bei Temperaturen bis +50 °C das geringste Kriechen. Daher ist der NR-Werkstoff ideal als Gummi-Feder und allgemein für die Schwingungsdämpfung geeignet. Weitere Anwendungsgebiete sind z.B.: mechanisch hochbelastete Teile wie Lkw-Reifen, Förderbänder usw.. Die Eigenschaften von NR-Werkstoffen sind in weiten Grenzen variierbar. NR ist daher ein idealer Allzweck-Kautschuk

Synthesekautschuktypen

Chloropren-Kautschuk (CR)

CR ist ein Synthesekautschuk mit wesentlich besserer Alterungsbeständigkeit als NR, IR, BR und SBR. Thermischer Anwendungsbereich: von -40 °C bis +120 °C, kurzzeitig bis +130 °C. Sind CR-Vulkanisate längere Zeit Temperaturen unter 0 °C ausgesetzt, so treten Verhärtungen infolge Kristallisation ein. Der Vorgang ist allerdings reversibel (umkehrbar). CR hat eine gewisse Beständigkeit gegen Mineralöle und Fette. Der CR-Werkstoff findet u.a. hier Verwendung: Kühlwasserschläuche, Förderbänder, Achsmanschetten, Dichtprofile für Außenanwendungen, Kabelsektor, schwerentflammbare Elastomerteile.

Ethylen-Propylen-Dien-Mischpolymerisat (EPDM)

EPDM ist beständig gegen sehr hohe Temperaturen, jedoch nicht beständig gegen Mineralöl. Thermischer Einsatzbereich: von -40 °C bis +140 °C, kurzzeitig bis +170 °C. Wegen der guten Ozon- und Lichtrißbeständigkeit ist EPDM besonders geeignet für Außenanwendungen. EPDM hat einen sehr niedrigen DVR (Druckverformungsrest) bei hohen Temperaturen und eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit. Anwendungsbereich des EPDM-Werkstoffs sind z.B.: Dichtungen, O-Ringe, Formteile für den Waschmaschinen- und Kabelsektor

Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)

SBR ist der Ausgangsstoff für die am häufigsten hergestellte Variante des synthetischen Gummis und findet seine Anwendung besonders in der Herstellung von Reifen, Dichtungen und Transportbändern. SBR zeichnet sich durch hohe Festigkeit und gute Verschleißeigenschaften bei gleichzeitig gegenüber NR verbesserter Wärmebeständigkeit aus. Thermischer Anwendungsbereich: -40 °C bis +110 °C, kurzzeitig bis +120 °C. SBR ist nicht beständig gegen Mineralöle.

Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR)

NBR ist sehr gut beständig gegen Mineralöle und Fette. Je höher der Anteil an Acrylnitril, desto besser die Ölbeständigkeit aber umso schlechter sind die Kälteeigenschaften. Einsetzbar von -30 °C bis +120 °C, kurzzeitig bis 150 °C. NBR ist ein wichtiger Dichtungswerkstoff, insbesondere Automobil- und Maschinenbau, O-Ringe, Wellendichtringe, Hydraulikdichtungen und Schläuche.

Weitere Bestandteile von Gummi-Mischungen und Hintergrundinformationen

Auch Verschnitte der oben aufgeführten, zueinander affinen Kautschuktypen sind möglich (auch mehr als 2 Kautschuk-Typen) und stehen auf dem Markt zur Verfügung. Bei diesen Verschnitten können die Anteile der verwendeten Kautschuk-Typen untereinander und auch der Gesamtanteil Kautschuk in der Mischung (s.o.) variiert bzw. kombiniert werden. Allein aufgrund der verwendeten Kautschuk-Typen sind unendlich viele unterschiedliche Elastomermischungen denkbar, deren Endprodukte – auch bei ansonsten identischer Mischung – unterschiedliche Werkstoff-eigenschaften aufweisen.

Füllstoffe

Füllstoffe, wie z.B. Ruße, beeinflussen insbesondere die Zugfestigkeit eines elastomeren Werkstoffs.
Abrieb, Verschleiß, Druckverformungsrest oder Alterungsbeständigkeit werden insbesondere durch „helle Füllstoffe“ beeinflusst. Füllstoffe machen einen nennenswerten Masse-Anteil einer Elastomermischung aus (ca. 20-50%).

Man unterscheidet zwischen aktiven und passiven Füllstoffen. Aktive Füllstoffe zeichnen sich durch eine geringe Teilchengröße bei gleichzeitig großer (zerklüfteter) Teilchenoberfläche aus. Aktive Füllstoffe führen zu einer Verbesserung der physikalischen Eigenschaften eines Elastomers, da die Zerreißfestigkeit der Molekülketten – bis zu einem bestimmten Sättigungspunkt – erhöht wird.

Mit dem Einsatz von passiven Füllstoffen (z.B. Ruße) unterschiedlicher Aktivität und unterschiedlichen Masseanteilen an der Mischung werden die physikalischen Eigenschaften eines fertigen Gummis wesentlich beeinflusst. Bei „preiswerten“ Mischungen wird häufig ein mehr oder weniger großer Anteil an passiven Füllstoffen zugeführt um die Erstellungskosten zu verringern.

Die Anzahl der auf dem Markt angebotenen Füllstoffe ist hoch. So werden z.B. Ruße nach insgesamt sieben unterschiedlichen Herstellungsverfahren produziert und es gibt für Ruße 10 Kategorien für den Teilchendurchmesser. Helle Verstärkerfüllstoffe werden aus vier unterschiedlichen Werkstoffgruppen produziert: Kieselsäure (aktiv), Aluminiumsilikat, Calciumsilikat und Calciumcarbonat (passiver Füllstoff).

Ein hoher Füllstoffanteil einer Elastomermischung kann daher sowohl auf eine hohe Qualität (wenn aktive Füllstoffe verwendet werden), als auch auf eine geringwertigere Qualität (bei Verwendung von passiven Füllstoffen) hindeuten.

Somit können durch die Verwendung unterschiedlicher Füllstoffe die Vulkanisate von ansonsten identisch aufgebauten Elastomermischungen deutlich unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen.

Alterungsschutzmittel

Alterungsprozesse laufen bei allen Temperaturen ab, wobei höhere Temperaturen diese Prozesse beschleunigen, was zu einer Abminderung der Lebensdauer der Bauteile führen kann. Darüber hinaus können Oxidation, Medien, dynamische Beanspruchungen, energiereiches Licht usw. Alterungsprozesse in Gang bringen oder beschleunigen. Durch eine entsprechende Auswahl der passenden Kautschuk-Typen, Füllstoffe und Vernetzungssysteme, sowie Zugabe weiterer Chemikalien (Wachse, Lacke an der Oberfläche, Alterungsschutzmittel in der Mischung) wird die Alterungsbeständigkeit der Werkstoffe verbessert.

Inzwischen sind mehr als 100 verschiedene chemische Substanzen als Alterungsschutzmittel im Handel. Der Anteil von Alterungsschutzmitteln in einer Elastomermischung ist allerdings sehr gering (i.d.R. kleiner 1% Masseanteil). Der Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften der Elastomere ist daher eher unbedeutend. Allerdings führt der Einsatz von Wachsen dazu, dass diese zusammen mit weiteren verwendeten Alterungsschutzmitteln (Antioxidantien, Antiozonantien) – gewollt – zum Schutz an die Oberfläche der Fertigprodukte transportiert werden. Diese Tatsache kann dann das Reibungsverhalten zu den angrenzenden Bauteilen erheblich beeinflussen; ein Effekt, der für die Verwendung von Elastomerprodukten als Lager im Hochbau beachtet werden muss

Weichmacher

In der Regel kommt dieser Stoffgruppe in Gummimischungen neben dem Kautschuk und den Füllstoffen die größte Bedeutung hinsichtlich des Masseanteils zu. Mit zunehmendem Weichmacheranteil verringert sich i.d.R. die Shore-Härte eines Elastomerwerkstoffs. Weichmacher werden eingesetzt, um die Fließfähigkeit einer Gummimischung (Verarbeitbarkeit) zu erhöhen, die thermischen Einsatzgrenzen eines Elastomerwerkstoffs zu verändern, das medienabhängige Quellverhalten zu beeinflussen, die Dehnbarkeit und die Elastizität eines Werkstoffs zu verbessern oder die elektrische Leitfähigkeit und das Brandverhalten einer Mischung zu verbessern.

Weichmacher fungieren wie Scharniere zwischen den Molekülketten. Die Verbindung ist – anders als bei einer Tür – relativ locker. Wenn nun aber ein Scharnier aus seiner Position gedrängt wird, wird diese Stelle im Elastomer steifer. Wenn das zu oft passiert, wird ein Elastomer brüchig.

Es ist also im Sinne einer qualitativ hochwertigen Mischung, Weichmacher zu verwenden, die eine große chemische Ähnlichkeit zu den Molekülketten des Kautschuks aufzeigt. Dadurch werden diese vom Kautschuk regelrecht „aufgesogen“. Diese Molekulare Affinität bewirkt eine dauerhafte Verkapselung der Weichmacher im Gesamtgefüge und man erreicht eine Verbesserung der Beweglichkeit der Molekülketten in sich.

Dennoch werden häufig (meist aus Kostengründen) weniger speziell abgestimmte, billigere Weichmacher zugeführt (verringert die Shore-Härte) und gleichzeitig „billiger“ Ruß beigemischt (erhöht die Shore-Härte), was in Summe die Shore-Härte gleichbleiben lässt. Die Zuführung dieser billigen Zutaten geschieht dann allerdings auf Kosten des (relativ teuren) Kautschukanteils, was einerseits zwar zu einem geringeren Mischungspreis führt, andererseits die Vernetzungsdichte, in Folge also die Produktleistungsfähigkeit, gravierend herabsetzt.

Auch für die Gruppe der Weichmacher gilt: Es existiert eine große Vielzahl unterschiedlicher Weichmacher, resultierend aus drei Gruppen (Mineralölweichmacher, reine und modifizierte Naturstoffe und synthetische Weichmacher) mit einer Vielzahl von Untergruppen und einer ganzen Reihe von Handelsprodukten für die jeweiligen Typen. Weichmacher sind zwingend in einer Gummimischung vorhanden. Nicht nur die Art, sondern auch der Weichmachergehalt beeinflusst in einer ansonsten identischen Mischung alle relevanten physikalischen Werkstoffeigenschafften der Vulkanisate erheblich.

Verarbeitungshilfsmittel

Diese dienen der weiteren Verbesserung der Fließfähigkeit von Mischungen (ähnlich Weichmachern), insbesondere für das Fertigungsverfahren des Injection-Moulding. Da dieses Verfahren praktisch ausschließlich für Formteile angewendet wird, welches bei der Herstellung von Lagern keine Bedeutung hat, wird hierauf nicht weiter eingegangen.

Spezielle Zusätze

Spezielle Zusätze werden für Sonderanwendungen benötigt. Denkbar für Lager sind z.B. Zusätze für Flammschutz oder Treibmittel für geschäumte Werkstoffe, welche allerdings auch Einfluss auf physikalische Eigenschaften der Mischung und das Verhalten des fertigen Produkts haben können. Dazu liegen jedoch (noch) keine aussagekräftigen Erfahrungen vor, allerdings gibt es wissenschaftliche Studien und Forschungsprojekte zu diesem Thema, an denen sich auch die Firma ESZ Becker mit Engagement beteiligt.

Vulkanisationsaktivatoren

Hiermit sind alle für die Vulkanisation des Elastomers erforderlichen Chemikalien gemeint: Vulkanisations-coagentien, ‑beschleuniger und – verzögerer. Der absolute Masseanteil dieser Chemikalien an der Gesamtmischung ist gering (deutlich kleiner als 10 %).
Auch die Auswahl des Vernetzungssystems (Schwefel-, Peroxid- oder Strahlenvernetzung) ist neben der geeigneten Zusammenstellung der Chemikalien wichtig und gleichzeitig auch für die physikalischen Eigenschaften des Endproduktes entscheidend.

Durch die Vulkanisation wird den bereits durch den Mischungsprozess möglichst homogen vermengten Komponenten durch die Knüpfung von chemischen Bindungen die notwendige Elastizität gegeben. Die losen, verknäuelten Polymerketten werden irreversibel verbunden und erhalten eine dauerhafte Konformation (eine räumliche Anordnung, die hier einem Spaghetti-Knäuel ähnelt). Die Vulkanisation erfolgt in der Regel unter Druck und bei erhöhter Temperatur in speziellen Werkzeugen. Über die Vulkanisation wird dem Material gleichzeitig Formstabilität gegeben.

Vernetzungsdichte

Ziel ist das Erreichen einer optimalen Vernetzungsdichte, welche entscheidend für das physikalische Eigenschaftsbild des Elastomerwerkstoffs ist. Die optimale Vernetzungsdichte wird definiert durch die Anzahl an Netzknoten (unter den Polymerketten) sowie die Struktur des Netzknotensystems.

Der Einfluss der Vernetzungsdichte auf ausgewählte physikalische Eigenschaften des Vulkanisats ist in nachfolgender Abbildung dargestellt:

Eine Elastomermischung besteht aus ca. 15 – 30 Zutaten aus ca. 11 Gruppen von Inhaltsstoffen.

Jede Gruppe von Inhaltsstoffen beinhaltet eine Vielzahl von unterschiedlichen Werkstofftypen, welche jeweils von unterschiedlichen Produzenten in unterschiedlichen Qualitäten vertrieben werden. Verschiedene Inhaltsstoffe aus einer Gruppe sind untereinander kombinierbar. Neben der horizontalen Kombinierbarkeit (innerhalb der Gruppen) sind die Inhaltsstoffe auch vertikal (Inhaltsstoffe aus den verschiedenen Gruppen) miteinander kombinierbar.

Daraus resultiert ein unendliches Spektrum unterschiedlicher Gummimischungen mit entsprechenden Unterschieden der physikalischen Eigenschaften der daraus gefertigten Vulkanisate. Die möglichen physikalischen Eigenschaften von Vulkanisaten – auch bei Verwendung einer einzigen (beliebigen) Kautschuktype – weichen mitunter stark voneinander ab.

Diese Unterschiede spiegeln sich in den verschiedenen Berechnungsmodellen für viskoelastische Materialien wider. Je nach Größe der Deformation, treten unterschiedlich große elastische und plastische Anteile auf. Zudem sind die Elastomer-Charakteristika Relaxation (Spannungsabbau bei konstanter Verformung) und Retardation (sogenanntes „Kriechen“; verzögerte Verformungsantwort bei konstanter Last) unterschiedlich stark ausgeprägt.

Diese Ausprägungen lassen sich durch eine Kombination von „Feder- und Dämpferelementen“ abbilden:

Das DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik), als Zulassungsstelle für Bauprodukte und Bauarten, gibt zu der Fragestellung, ob Elastomerlager einer eigenständigen Feuerwiderstandsklasse zugeordnet werden können, nachfolgende Information.

Elastomerlager können keiner eigenständigen Feuerwiderstandsklasse zugeordnet werden. Feuerwiderstandklassen beziehen sich auf Bauteile, wie z.B. Wände, Decken, Stützen usw. (s. hierzu z.B. DIN 4102-2, Abschnitt 1), nicht hingegen auf einzelne Baustoffe.

Bauordnungsrechtlich werden Baustoffe, auch solche für Fugen und Lager, in Bezug auf die Feuerwiderstandsfähigkeit betrachtet. Insofern ist es bauordnungsrechtlich auch nicht erforderlich, einen Baustoff, wie z.B. für Fugen und Lager, einer Feuerwiderstandsklasse zuzuordnen.

Notwendig ist jedoch nach Bauordnungsrecht der Nachweis des Brandverhaltens. Elastomerlager müssen demnach mindestens normalentflammbar sein (siehe § 26 der Musterbauordnung bzw. entsprechender § der jeweiligen Landesbauordnung). Höhere Anforderungen zum Brandverhalten des Baustoffs können sich aus speziellen Verwendungen (in Bauteilen, z.B. Brandwänden) ergeben.

Hier finden Sie eine detaillierte Erläuterung zum Thema Brandschutz und Brandverhalten der ESZ-Verformungslager.

DIN 4141

Die Normenreihe DIN 4141 „Lager im Bauwesen“ wurde mit Einführung der europäischen Folge-Normenreihe DIN EN 1337 abgelöst und gilt somit seit dem Jahr 2005 nicht mehr. Diese Norm hatte nach den sogenannten Lagerungsklassen 1 und 2 unterschieden.

DIN EN 1337

Die DIN EN 1337 (Teile 1 bis 11) regelt aktuell auf europäischer Ebene die „Lager im Bauwesen“.
Der für die Elastomerlager relevante Teil 3 begrenzt bei der Bemessung die Tragfähigkeit für bewehrte und unbewehrte Lager auf 7 N/mm². Dieser Wert liegt allerdings deutlich unterhalb der maximalen Druckspannungsbeanspruchbarkeit von den am Markt verfügbaren Elastomerlagern und ist für die baupraktische Anwendung definitiv zu gering angesetzt. Die maximale zulässige (formatabhängige) Flächenpressung liegt z.B. bei dem ESZ Typ 200 bei 28 N/mm², nach technischer Abklärung mit ESZ sind u.U. sogar höhere Pressungen möglich. Somit deckt diese Norm die Elastomerlager mit einem Leistungsvermögen oberhalb von 7 N/mm² nicht ab.

Hinzu kommt, dass ausschließlich Produkte auf CR- und NR-Basis in dieser Norm geregelt sind. Inzwischen haben sich auch Elastomerlager auf EPDM-Basis in der Praxis sehr gut bewährt.

 

Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen / Europäische Technische Bewertungen / Allgemeine Bauartgenehmigungen

Sofern ein Bauprodukt keiner harmonisierten EU-Norm zugeordnet werden kann, besteht die Möglichkeit, den Nachweis für die Verwendbarkeit von Bauprodukten entweder über eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abZ) oder über eine Europäisch Technische Bewertung (ETA) zu erbringen. Die Anträge können beim Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) gestellt werden.
Für Bauarten mit Lagern, die nicht abschließend technisch geregelt sind, erteilt das DIBt allgemeine Bauartgenehmigungen (aBG).

Lastannahmen

Die Bemessung sollte, abhängig von der Sicherheitsrelevanz des betrachteten Grenzzustands, für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit oder für den Grenzzustand der Tragfähigkeit erfolgen. Gemäß den aktuellen Zulassungsgrundsätzen muss die Bemessung der Verwendbarkeit über den Nachweis der Verwendung im Grenzzustand der Tragfähigkeit ermittelt werden – gemäß dem sogenannten semiprobabilistischen Teilsicherheitskonzept.  Es gilt das Nachweiskonzept nach DIN EN 1990:2010-12 mit Nationalem Anhang. Die Lager dürfen nur für statisch oder quasi-statisch belastete Bauteile verwendet werden.

Die Grundanforderungen an das Lager ergeben sich somit für die Auflagerbereiche aus der statischen Berechnung der Bauteile bzw. des Tragwerks. Zudem müssen bei der Verwendung von Elastomerlagern als Lagerung folgende Einwirkungen bei der Bemessung der Lager berücksichtigt werden:

Abweichung von der Planparallelität

Abweichungen von der Planparallelität von Kontaktflächen anliegender Bauteile müssen für den Nachweis der Lager berücksichtigt und rechnerisch wie planmäßige Verdrehungen berücksichtigt werden. Geometrische Imperfektionen und Abweichungen von der Planparallelität von Stahlbetonkontaktflächen müssen mit mindestens 0,01 [rad] (entspricht 10 ‰ bzw. 0,57 °) angesetzt und dem Rechenwert der Lagerverdrehung aus den Bauteilverformungen hinzuaddiert werden. Wenn kein genauerer Nachweis erbracht wird, müssen Unebenheiten von Betonfertigteilen mit 0,625 / a [rad] berücksichtigt und rechnerisch wie planmäßige Verdrehungen berücksichtigt werden. Wird das aufliegende Bauteil in Ortbeton oder Stahl ausgeführt, kann dieser Wert um die Hälfte abgemindert werden.

Temperatur und klimatische Einwirkungen

Im Inneren von Hochbauten mit gedämmter Gebäudehülle sollten gegenüber einer Aufstelltemperatur T0 = +10°C im allgemeinen Temperaturschwankungen ΔTN,k = ± 10 °K angesetzt werden, sofern die Bauteile keiner direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Im Einzelfall ist zu prüfen, ob aufgrund der baulichen Gegebenheiten oder nutzungsbedingt oder bei Bauzuständen ungünstigere Bedingungen zu berücksichtigen sind. Bei Bauteilen, zu denen die Außenluft häufig oder ständig freien Zugang hat und die der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, müssen die Temperatureinwirkungen berücksichtigt werden. Sofern kein genauerer Nachweis geführt wird, können die Temperatureinwirkungen in Anlehnung an DIN EN 1991 (s. dazu Teil 1 und Teil 5) angewendet werden.

Lagernachweis

Der Lagernachweis erfolgt in der Regel produktspezifisch oder nach der jeweils gültigen Norm. Elastomerlager werden in der Regel als Verformungslager eingesetzt und gelten nicht als Festlager im Sinne der DIN EN 1337-1. Somit sollten sie als statisch einwertige Drucklager betrachtet werden (Hauptbeanspruchung auf Druck und in eine Richtung).

 Druckbeanspruchung

Lager sind, je nach Verwendungsnachweis, in ihrer maximalen Belastbarkeit individuell begrenzt. Aufgrund der Vielzahl der am Markt verfügbaren Produkte und deren unterschiedlicher Produkteigenschaften gibt es auch keine allgemein gültige Festlegung für die maximale Druckbeanspruchbarkeit.

Es gelten somit die gültigen Regelwerke bzw. Zulassungen in Ergänzung die entsprechenden Produktspezifikationen und Angaben der Hersteller zu deren Produkten.

Verdrehung infolge Bauteilverformungen

Die Verdrehbarkeit eines Lagers ist begrenzt. Die max. zulässigen Verdrehungen α sind in den jeweiligen Produktzulassungen zu finden.

Die Verdrehung eines Lagers hat mehrere Reaktionen zur Folge:

Die Bauteilkanten bewegen sich aus Ihrer planmäßigen Lage heraus. Ein Kantenkontakt muss unbedingt vermieden werden. Der Abstand der Bauteilkanten sollte rechnerisch ≥ 3mm sein.

Die Verdrehung verursacht eine Exzentrizität der Last bzw. ein Rückstellmoment. Dies muss berücksichtigt werden.

Allgemein gilt: je härter und dünner ein Lager ist, desto größer werden die Exzentrizität bzw. das Rückstellmoment.

Sofern nicht anders angegeben, kann das Rückstellmoment für rechteckige Lager nach unserer Auffassung wie folgt ermittelt werden:

Sofern nicht anders angegeben, kann die Exzentrizität für rechteckige Lager wie folgt ermittelt werden:

Die Winkelverdrehung am Auflager kann je nach Bauteilgeometrie eine erhebliche Schubverformung des Lagers verursachen.

 

Schubverformung

Parallel zur Lagerebene sollten Lager nur infolge von Zwang und veränderlichen Einwirkungen beansprucht werden. Einwirkungen aus ständigen äußeren Lasten einschließlich des Erddrucks sind unzulässig. Die Schubverformung des Lagers infolge von Relativverschiebungen in der Lagerfuge oder parallel zur Lagerebene einwirkenden Kräften ist so zu begrenzen, dass weder das Lager geschädigt wird noch, dass es zu Kantenkontakt der Bauteile kommt. Wenn nicht anders geregelt kann die Schubverformung des Lagers wie folgt begrenzt werden:

Die Schubverformung wird durch vektorielle Addition von tanγx und tanγy ermittelt

mit:

ux & uy                 Horizontalverschiebung in X- und Y-Richtung
Fx,q & Fy,q             veränderliche Horizontallasten in X- und Y-Richtung

 

Verrutschen, Gleiten und Lagerwandern

Bei Überwindung der Haftung zwischen dem Lager und den angrenzenden Bauteilen durch Einwirkungen parallel zur Lagerebene, kann das Lager verrutschen. Dies ist zulässig, wenn ein durch das Verrutschen mögliches Versagen der Lagerung planmäßig durch konstruktive Maßnahmen verhindert wird. Wenn das Lager nicht verrutschen darf oder äußere veränderliche Kräfte durch das Lager übertragen werden müssen, ist wenn nicht anders geregelt folgende Bedingung zu erfüllen:

σz min, dder zu Fx,y q zugehörige kleinste Bemessungswert der Lagerpressung
A = a x bGrundfläche eines unbelasteten rechteckigen Lagers
A = π x d2/4Grundfläche eines unbelasteten runden Lagers

mit

Fx,y q ist die Summe der auf das Lager einwirkenden Schubverformung aus veränderlichen Lasten und der Vektorsumme der Bemessungswerte der veränderlichen Einwirkungen parallel zur Lagerebene.

Bei einem Anteil von weniger als 75% ständiger Belastung – in der seltenen Kombination nach DIN EN 1990 – ist das Lager gegen Lagerwandern zu sichern.

Bedingung:

Bei einem Anteil von mehr als 25% veränderlicher Belastung in der häufigen Kombination nach DIN EN 1990, sind Lager mit allgemeiner Bauaufsichtlicher Zulassung oder genormte Lager zu verwenden.

Bedingung:

Angrenzende Bauteile

Der Wert des zulässigen Lagerwiderstands zul σ muss dem Nachweis der angrenzenden Bauteile zugrunde gelegt werden (d.h., wenn das Lager z.B. maximal 20 N/mm² als Werkstoff aufnehmen kann, müssen die angrenzenden Bauteile das ebenfalls aufnehmen können). Die durch Verdrehung und Schubverzerrung des Lagers entstehende Exzentrizität e ist bei der Bemessung der angrenzenden Bauteile erforderlichenfalls zu berücksichtigen. Die Lastausmitte darf, sofern kein genauerer Nachweis geführt wird, wie folgt ermittelt werden:

aLagerseite a bzw. Durchmesser in [mm]
αaBemessungswert der Lagerverdrehung über die Lagerseite a
uaBemessungswert der Horizontalverschiebung des Lagers in Richtung a.

Anmerkung: Zwei-Dimensionale Einwirkungen müssen analog durch vektorielle Addition erfast werden.

Die infolge der Dehnungsbehinderung von unbewehrten Elastomerlagern, in den angrenzenden Bauteilen entstehenden Querzugkraft T ist nachzuweisen und durch entsprechende Maßnahmen aufzunehmen: [Stahlbetonbau: z.B. durch oberflächennahe Bewehrung / Holzbau: z.B. durch Stahlplatte / Mauerwerksbau: z.B. durch bewehrte Mörtelfugen].
Die Querzugkraft infolge der Querdehnung kann bei Elastomerlagern, wenn nicht anders geregelt (wie z.B. bei den zugelassenen Produkten, wie folgt ermittelt werden:

Tk   charakteristischer Wert der Querzugkraft
cgrößte Lagerseite a, b bzw. Lagerdurchmesser d in [mm]

Lagesicherheit und Lagerwandern

Die mechanischen Zusammenhänge finden sich vereinfacht in der „Antwort“ eines Elastomerlagers auf Lastwechsel wieder.

Elastomerlager neigen bei häufig wechselnder Beanspruchung einem „Effekt“ der Lagerwanderung zu unterliegen. Bei weniger als 75% ständigen Lasten sollte deshalb eine Lagesicherung in Betracht gezogen werden. In der zurückgezogenen alten Norm 4141-15 für unbewehrte Elastomerlager war dies bei der Unterscheidung nach Lagerungsklasse 1 und 2 sinnvoller Weise zwingend zu berücksichtigen.

Elastomerlager dehnen sich seitlich bei Druckbeanspruchung aus. Dies führt u.a. zu Querzugkräften in der Lagerfuge, die man bei der Bemessung der angrenzenden Bauteile unbedingt berücksichtigen muss. Bei zu großer (Teil-)Entlastung des Lagers verformt es sich im ungünstigen Fall nicht zentrisch, sondern exzentrisch – also nicht in die Ursprungsposition – zurück.  Das kann bei häufigen Wiederholungen dazu führen, dass sich ein Lager unter einer solchen wechselnder Beanspruchung mit Verkehrslasten > 25 % aus der ursprünglichen Position heraus bewegen kann („Lagerwandern“).

Das Lagerwandern infolge häufiger Lastwechsel kann vermieden werden, indem man z.B. konstruktiv Dollen oder eine Kammerung (Knagge) vorsieht.

Es gibt weitere verschiedene Ursachen, die ein Lagerwandern begünstigen.

Je geringer die physikalischen Kennwerte (weicher) eines Lagers sind, desto mehr neigt es zum Ausbreiten unter Druck, desto mehr neigt es zum Lagerwandern.

Je ungleichmäßiger die Beschaffenheit der Kontaktflächen ist, desto eher neigt ein Lager zum Lagerwandern.

Alternierende Schubbeanspruchung und Wechsellasten können zu einem temporären Überwinden des Reibungsschlusses zwischen Lager und Bauteil führen. Je weniger Reibung desto größer das Ausbreiten und desto größer wird die Gefahr, dass sich das Lager ungleichmäßig zusammenzieht und das Lagerwandern begünstigt.

Hinweise zu Lagerformen und Lagerverhalten:

Ein rundes Lager verhält sich optimal, da sich eine absolut gleichförmige Spannungsverteilung im Lagermaterial ausbildet.

Quadratische Lager verhalten sich etwas schlechter als runde Lager, aber vergleichsweise günstiger als rechteckige Lager.

Streifenförmige Lager verhalten sich ungünstiger als rechteckige Lager
(immer bezogen auf die Verformung bei einer bestimmten Last, bezogen auf die Fläche, wobei mehr Verformung schlechter ist).

Aufgrund dieser mechanischen Zusammenhänge kann man:

ein Parallelogramm mit einem flächengleichen Rechteck-Lager mit dem Seitenverhältnis 1:1,5 (A:B) nachweisen.

ein Kreisrundes-Lager über ein flächenäquivalentes rechteckiges Lager nachweisen, wobei die Lagerseite b dem Durchmesser des Kreises entspricht und die Verdrehung rechtwinklig zur Lagerseite b gewählt werden muss.
Das Lager ESZ Typ 200 kann als rundes Lager (formfaktorabhängig) gemäß Zulassung bis zu 96,90 N/mm² aufnehmen.

Die Lagerungsbereiche sind gemäß den bauartspezifischen technischen Spezifikationen und Normen auszubilden. Allgemein müssen ausreichende Randabstände vorgesehen werden. Das Elastomerlager muss innerhalb der Bewehrung liegen, auch unter Lasteinwirkung mit Berücksichtigung des Ausbreitmaßes.

Das Lagerausbreiten ist geometrie- und werkstoffabhängig. D.h. dem Planer müssen produktspezifische Angaben dazu vorliegen, die in der Planung bedacht werden müssen.

Grundsätzlich sollte möglichste den langzeit-druckstabilen Werkstoffen (Produkten) den Vorzug gegeben werden.

Bei der Verwendung der Lager mit Stahlkontaktflächen sollten die Stahlflächen umlaufend
mindestens 25 mm größer sein als das Lager.

Müssen Elastomerlager aufgrund der baulichen Situation unterstopft werden, so ist besonders auf eine für diesen Zweck geeignete Mörtelqualität zu achten.

Die Seitenflächen der Lager dürfen keinesfalls in Ihrer planmäßigen Verformung behindert werden.

Jedes Bauteil ist in horizontaler und vertikaler Richtung durch Fugen derart von den
angrenzenden Bauteilen zu trennen, dass die vorgesehene Lagerung (Statik) wirksam werden
kann. Zu beachten ist, dass durch Fugenfüllungen, wie z.B. Fugenmassen, Profile aus Schaumstoff oder Platten aus Mineralwolle oder Schaumstoffen, die Verformbarkeit beeinträchtigt werden kann. Bei Ortbetonausführung muss die ordnungsgemäße Herstellung der Lagerfuge gewährleistet werden.

Bei horizontal verschiebbar gelagerten Bauteilen ist zu prüfen, ob Festpunkte oder Festzonen angeordnet werden müssen, durch die der Bewegungsnullpunkt des zu lagernden Bauteils festgelegt wird. Zu beachten ist, dass durch unbeabsichtigte Festpunkte die Bauteillagerung nachteilig beeinflusst werden kann.

Die Umgebungseinflüsse müssen im Hinblick auf mögliche Schädigungen der Lager geprüft werden.

Elastomerlager und Auflagerflächen müssen frei von Verschmutzung sein und bleiben.

Lose Teilchen sind grundsätzlich unzulässig.

Die Auflagerflächen müssen frei von Eis und Schnee, Fetten, Lösemitteln, Ölen oder Trennmitteln sein. Dies ist durch geeignete Maßnahmen sicherzustellen.

Für eine schnelle und komfortable Lager-Bemessung der zugelassenen ESZ-Produkte kann auf die von ESZ Becker erstellten Berechnungstools zugegriffen werden.

Diese finden Sie für eine Onlinebemessung hier 

Ein kurzes Tutorial zum Umgang mit dem Online-Bemessungsprogramm finden Sie hier: ESZ-Online Bemessungsprogramm Hilfe

Alternativ können Sie die aktuellen Berechnungstools auch als Excel-Datei erhalten.
Bitte fragen Sie diese bei Interesse gerne hier bei uns an.
Gerne erläutern wir Ihnen auch den Umgang mit den Programmen.

Die Berechnungsgrundlagen der Programme basieren auf den jeweiligen Vorgaben in den Produktzulassungen und stehen zudem im Einklang mit der jeweiligen Produktleistungsfähigkeit, die wir als Lieferant aufgrund unserer jahrzehntelangen Erfahrungen mit diesen Werkstoffen zusichern können.

Die Bemessungsprogramme sind als Hilfestellung zu den Zulassungen zu betrachten. Konkrete Ergebnisse über die Verwendbarkeit einer Lagertype erhalten Sie über die Berechnungstools, da hierin alle auftreten Einwirkungen (Druckbeanspruchung und Verdrehung) in Kombination berücksichtigt werden können.

Sollte bei der Bemessung mithilfe der Berechnungstools kein verwendbares Lager ermittelt werden können, kontaktieren Sie uns bitte gerne. Wir versuchen dann eine Lösung für die Aufgabenstellung mit Ihnen zu finden.

A

Ausbreitmaß
Das Ausbreitmaß beschreibt die seitliche Ausbreitung des Lagers bei Druckbeanspruchung. Das Ausbreitmaß ist abhängig von der Lagernenndicke und der zulässigen Bemessungsdruckspannung.

B

Bewehrte Lager
Lager aus einer homogenen Elastomerplatte oder einem Elastomerextrudat mit metallischen oder textilen Verstärkungen.

C  |  D  |  E  |  F

Federkennlinie (hier als Druckstauchungskennlinie)
Die Federkennlinie beschreibt die Belastung der Feder (hier Werkstoff „Gummi“) zum Weg.

Die Prüfung kann weggeregelt oder kraftgeregelt erfolgen. Bei der weggeregelten Prüfung der Federkennlinie wird ein bestimmter Einfederungsweg (z.B. 40 % Verformung) angefahren und die Kraftantwort ermittelt. Bei der kraftgeregelten Prüfung wird mit einer zuvor festgelegten Kraft auf den Werkstoff (Feder) gedrückt und der dabei zurückgelegte Weg ermittelt.
Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt i.d.R. über ein Kraft- Weg-Diagramm.

G

Gleitlager
Gleitlager sind Lager, bei denen die Bewegungen durch Gleiten zweier Flächen gegeneinander erfolgen. Gleitlager können bewehrt und unbewehrt sein.

H  |  I  |  J  |  K

Kompakte Lager
Lager aus einer homogenen Elastomerplatte oder einem Extrudat ohne Oberflächenprofilierung oder sonstigen geometrischen Besonderheiten.

Kriechen
Das Kriechen (auch Retardation) beschreibt bei Werkstoffen die zeit- und temperaturabhängige Verformung unter konstanter Spannung. Der Kriechversuch ist ein wichtiger Indikator für das Langzeitverhalten von Elastomerlagern.

L

Lagerung
Lagerung beschreibt die Gesamtheit aller baulichen Maßnahmen, welche dazu dienen, die sich aus der statischen Berechnung ergebenden Schnittgrößen (Kräfte, Momente) aus einem Bauteil in ein anderes zu übertragen und gleichzeitig an diesen Stellen die planmäßige Bauteilverformung zu ermöglichen. Die Lagerung von Bauteilen erfolgt durch Punkt-, Linien- oder Flächenlager.

Lager und Lagerbezeichnungen (hier im Sinne von Elastomerlager)
Ein Lager ist ein separat gefertigtes Bauteil, um Zwischenbedingungen in Baukonstruktionen zu realisieren. Die Artbezeichnungen sind funktions-, form- und werkstoffbezogen.

M  |  N  |  O  |  P

Profilierte Lager
Lager aus einer homogenen Elastomerplatte oder einem Extrudat mit Oberflächenprofilierung oder einer speziellen geometrischen Formgebung.

Q  |  R

Reibungszahl μ
Die Reibungszahl besitzt keine Einheit und bestimmt, wie stark die Reibungskraft FR​ ist. Sie entsteht, wenn sich Körper gegeneinander bewegen, und sie wirkt dabei immer der Bewegungsrichtung entgegen.

Es wird zwischen verschiedenen Reibungen unterschieden. Soll ein Körper z.B. auf dem Boden in Bewegung gebracht werden, muss zunächst die Haftreibungskraft überwunden werden. Bei der anschließenden Bewegung wirkt dann die kleinere Gleitreibungs- oder Rollreibungskraft.

Neben der Bewegungsart ist die Reibungszahl je nach Materialoberflächen, Schmierung und Temperatur anders. Daher gibt es ganze Tabellen von Reibungszahlen, welche meist durch Versuche bestimmt werden.

Für die Berechnung einer bestimmten Reibungskraft wird neben der Reibungszahl μ noch die Normalkraft FN benötigt. Es ist der Anteil der Gewichtskraft, welcher senkrecht zum Untergrund steht:

FR = μ⋅FN

Für die Reibungsarbeit muss diese Kraft mit dem zurückgelegten Weg s multipliziert werden:

WR= μ⋅FN​⋅s

Die Reibungskraft ist umso kleiner, je glatter die Oberflächen und je besser sie geschmiert sind.

 

S  |  T  |  U

Unbewehrte Lager
Lager aus einer/ einem homogenen Elastomerplatte oder -extrudat ohne metallische oder textile Verstärkungen.

V

Verformungslager
Verformungslager sind Lager, die die Bewegungen (Verdrehung und Verschiebungen) nicht durch mechanische Konstruktion, sondern durch Verformung des Lagermaterials (hier stets Elastomer) ermöglichen. Andere Bezeichnungen sind: Elastomerlager, Gummilager. Verformungslager können bewehrt und unbewehrt sein.

W  |  X  |  Y  |  Z


Lager im Bauwesen
| Eggert, Kauschke

Vorlesungen über Lager im Bauwesen | Eggert

Elastomere Federung, elastische Lagerung | Battermann, Köhler

Kautschuk Technologie | Sommer Röthemeyer

Technische Elastomerwerkstoffe | Freudenberg

Polymer Engineering | Eyerer, Hirth, Elsner

Werkstoffe | Hornbogen

 

Normen

DIN 4141 | DIN EN 1337 | Eurocode 0, | Eurocode 1, | Eurocode 2

DAfStb Heft 339

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