Aufprallfestigkeit: Die Bewegung, die Sie zulassen, ist die Stärke, die Sie erhalten

Ein handgewebtes Paneel fängt Stöße ab, die es als statisches Gewicht niemals tragen könnte, und der Grund dafür liegt nicht im zusätzlichen Metall. Draht der 300er-Serie dehnt sich bei etwa 0.11 Prozent Dehnung aus, sodass ein neun Meter langer Strang nur etwa zehn Millimeter elastischen Spielraum hat. Ein Paneel mit dieser Begrenzung würde die gesamte Last in einem Schlag auf seine Pfosten übertragen. Das tut es aber nicht, denn ein Seilgeflecht ist ein Gitter und kein Bündel gerader Drähte. Ein Gitter kann seine Form verändern, während jeder Strang seine Länge beibehält. Diese Formänderung ist der Schlüssel zur Stoßfestigkeit und wird in den meisten Angeboten vernachlässigt.

Executive Summary

Eine Spezifikation, die Drahtdurchmesser und Maschenweite angibt, beschreibt eine halbe Platte. Die Schlagzähigkeit ist die Energie, die die Platte aufnehmen kann, bevor sie versagt. Sie hängt sowohl von der maximalen Auslenkung der Platte als auch vom verwendeten Stahlanteil ab. Bei einem handgewebten Gitter ist diese Auslenkung nahezu ausschließlich geometrisch: Die Zellen werden abgeschert, die Stränge behalten ihre Länge, und die Aufprallenergie verteilt sich über eine Strecke anstatt punktuell. Es folgen zwei Werte: die Energie, die die Platte zum Stoppen benötigt, und die Auslenkung, die zum Stoppen erforderlich ist. Eine Halbierung des zweiten Wertes verdoppelt die Kraft, der der Rahmen standhalten muss. Die Referenzspezifikation findet sich auf der Produktseite für Tiergehege-Gitter .

Schnelle Antwort:

Die Schlagzähigkeit ist die Energie, die ein Paneel absorbiert, bevor es bricht. Sie wird in Joule statt Newton gemessen und ist ein anderes Maß als die Zugfestigkeit. Ein 304-Edelstahldraht in einem handgewebten Netz gibt bei einer Dehnung von etwa 0.11 Prozent nach, was bei einer Spannweite von neun Metern zehn Millimetern entspricht. Das Paneel legt eine deutlich größere Strecke zurück, da seine Diamantzellen abscheren und sich der Winkel seiner Litzen ändert, wodurch der Aufprall über eine gewisse Distanz abgebremst wird. Bei einer Maschenweite von 20 mm und einem Drahtdurchmesser von 2.0 mm befinden sich auf einem Meter Paneelbreite etwa 202 Quadratmillimeter Stahl im Lastpfad; bei 102 mm Maschenweite und 3.2 mm Drahtdurchmesser sind es 108 Quadratmillimeter. Beide Varianten sind stabil. Nur die feinere Variante bietet ausreichend Bewegungsspielraum.

Wichtige Erkenntnisse

• Die Schlagzähigkeit ist die Fläche unter einer Kurve, nicht deren Scheitelpunkt; ein Paneel kann im ersten Sinne stark und im zweiten Sinne schlecht sein.
• Bei einer Dehnung von etwa 0.11 Prozent beträgt die Streckgrenze eines Drahtes der 300er-Serie, sodass neun Meter Litzendraht ungefähr zehn Millimeter ergeben.
• Eine Diamantzelle, die von einem Quadrat zu einer 60-Grad-Rhombusform gezogen wird, wächst um 22 Prozent in die Länge, ohne dass der Draht gespannt wird.
• Bei einer Länge von 10 Kilojoule über 100 mm werden von den Pfosten 200 kN gefordert; bei einer Länge von 300 mm sind es 67 kN.
• Durch die Vorspannung werden die Kreuzungen fixiert und der geometrische Spielraum ausgeschöpft, sodass das enger anliegende von zwei identischen Paneelen das empfindlichere sein kann.

Stärke beantwortet eine andere Frage

Die Bruchfestigkeit ist eine einzige, leicht verkäufliche Kennzahl und daher das, wonach Käufer fragen. Sie beschreibt die maximale Kraft, die ein Strang aushält, gemessen an einer kurzen Probe, die langsam geradlinig gezogen wird. Die Schlagzähigkeit hingegen beschreibt etwas anderes: die gesamte Arbeit, die am Material verrichtet wird, bevor es reißt. Sie entspricht der Fläche unter der Kurve und nicht der Höhe ihres Scheitelpunkts.

Bei einem einzelnen Strang verlaufen die beiden Stränge so eng beieinander, dass es kaum ins Gewicht fällt. Bei einem Paneel weichen sie voneinander ab, da ein Paneel die Last nicht wie ein Strang trägt und die Konstruktionsweise der beiden Elemente den Großteil der weiteren Eigenschaften bestimmt. Eine an einem Kreuzungspunkt eintreffende Last wird über das Gitter nach außen verteilt, wobei diese Verteilung von der Verformbarkeit des Paneels abhängt.

Zehn Millimeter in neun Metern

Nehmen wir einen Draht aus Edelstahl 304 mit einer Streckgrenze von etwa 210 MPa und einem Elastizitätsmodul von etwa 193 GPa. Teilt man die einen Werte durch die anderen, erhält man die Dehnung, bei der der Draht nachgibt: 0.11 Prozent. Das ist die Strecke, um die sich der Stahl bewegt, bevor er sein elastisches Verhalten verliert – 9.8 Millimeter auf einer neun Meter langen Platte. Dies entspricht dem gesamten Beitrag des Materials zur Flexibilität.

Dieser Beitrag ist gering, und die Materialstärke verringert ihn schneller, als sie die Festigkeit erhöht. Von 1.2 mm auf 3.2 mm steigt der Querschnitt um das 7.1-Fache und die Biegesteifigkeit um das 50.6-Fache, da der Biegewiderstand mit der vierten Potenz des Durchmessers, die Zugfestigkeit hingegen mit dem Quadrat zunimmt. Dieselbe Legierung ist bei 3.2 mm zwar sehr fest, aber hinsichtlich der Beweglichkeit teuer. Deshalb werden für eine belastete, durchsichtige Oberfläche mehr statt dickere Litzen verwendet. Diese Litzen werden auf einer Platte von bis zu 9 m × 18 m, also 162 Quadratmetern in einem Stück, aufgebracht, und die Paneelführung deckt die entsprechende Rahmenkonstruktion ab.

Die Flexibilität liegt in der Geometrie.

Jegliche Flexibilität über zehn Millimeter hinaus muss durch die Form der Zellen erreicht werden, wodurch sich die Vorteile eines Gitters auszahlen. Ein gewebtes Gitter besteht aus vierseitigen Zellen, die an ihren Kreuzungspunkten fixiert sind, und verhält sich daher eher wie ein Mechanismus als wie ein Fachwerk: Es bietet nahezu keine Scherfestigkeit, solange sich die Zellen nicht abflachen. Zieht man an einer quadratischen Zelle entlang einer Diagonalen, so ändert sich ihre Seitenlänge nicht, die Diagonale hingegen verlängert sich beim Schließen der Zelle.

Senden Sie die Spannweite, die Last und den Platz hinter dem Paneel.

Im Vergleich zu den 0.11 Prozent, die Stahl bietet, entspricht das einem Verhältnis von etwa 200 zu 1. Fast jeder Millimeter, den ein Gewebepaneel liefert, resultiert aus einem formveränderlichen Gitter. Daher kann dasselbe Paneel unter Zugspannung steif und in einer Richtung nachgiebig sein, für die es ursprünglich nicht ausgelegt war. Reibung an den Kreuzungspunkten und die Einspannung am Rand verbrauchen einen Teil der geometrischen Toleranz, sodass ein Paneel weniger Leistung erbringt, als die Geometrie verspricht – aber weit mehr als ein Drahtseil allein.

Ein Aufprall ist Energie, und Energie ist Kraft mal Weg

Sobald das Panel als Absorber und nicht als Barriere verstanden wird, ändert sich die Konstruktionsfrage. Ein Aufprall setzt Energie frei, die ein Panel durch Widerstand über eine bestimmte Strecke abfängt. Die durchschnittliche Kraft entspricht somit der Energie geteilt durch den Weg. Bei einer Reaktion, die annähernd proportional zur Auslenkung ansteigt, ist der Spitzenwert doppelt so hoch wie der Durchschnittswert. Daraus ergibt sich die Beziehung: Kraft = doppelte Energie geteilt durch die zulässige Auslenkung.

Die Konsequenz ist eindeutig. Zehn Kilojoule, die über 100 mm abgefangen werden, belasten den Rahmen mit 200 kN. Dieselben zehn Kilojoule über 300 mm belasten ihn mit 67 kN, und die absorbierende Platte bleibt unverändert. Jeder Pfosten und jede Verankerung hinter der Platte ist auf die vom Rahmen zu tragende Kraft ausgelegt. Eine Spezifikation, die die Durchbiegung auf 100 mm statt 300 mm festlegt, verdreifacht daher stillschweigend die Stahlmenge im Erdreich. Die von einer Platte absorbierte Energie ist durch das Ereignis vorgegeben; die dafür benötigte Strecke hingegen nicht. Die Auswahl eines Gitters anhand der Last unterscheidet sich von der Auswahl anhand der Maschenweite.

Warum eine schnelle Belastung diejenige ist, die es kaputt macht

Ein langsamer Zug und ein fallengelassenes Gewicht sind nicht dasselbe, und der Unterschied ist nicht unerheblich. Die Lehrmaterialien sind diesbezüglich eindeutig: Ein Metall kann unter statischer Belastung eine ausreichende Zähigkeit aufweisen, aber unter dynamischer Belastung oder Stoßbelastung versagen. Die Duktilität nimmt mit steigender Belastungsgeschwindigkeit ab, sodass die Energie, die ein Paneel absorbieren kann, genau dann abnimmt, wenn die Belastung schneller einwirkt.

Hier liegt die Diskrepanz zwischen Spezifikation und Baustelle. Ein Tier, das sich an eine Schutzwand lehnt, stellt eine statische Last dar, und eine Schutzwand mit großzügigem Sicherheitsfaktor hält dieser über Jahre stand. Ein Tier, das auf die Wand zustürmt, erzeugt hingegen eine Stoßbelastung, und dieselbe Schutzwand kann deutlich unter dem im Zertifikat angegebenen Wert brechen – nicht weil der Stahl schwächer als angegeben war, sondern weil die Prüfung, die den Wert ermittelt hat, langsamer ablief als das tatsächliche Ereignis. Die von uns angebotenen Güteklassen von 20 mm bis 102 mm mit ihren jeweiligen Litzenanzahlen sind auf der Seite für Edelstahl-Tiergehegegitter aufgeführt ; eine Zeichnung muss zusätzlich die Einfallsgeschwindigkeit der Last berücksichtigen.

Das feine Panel ist nicht das schwache

Grobes Drahtgeflecht erscheint zwar stabiler, ist aber in der Regel die schwächere Wahl, da die Tragfähigkeit pro Meter Breite davon abhängt, wie viele Litzen die Last kreuzen. Ein rautenförmiges Drahtgeflecht mit einem Winkel von 45 Grad besteht aus zwei Litzenreihen quer zur Breite, die jeweils im 45-Grad-Winkel auf die Last treffen. Daher trägt eine 20 mm dicke Platte mit 2.0 mm Drahtstärke die Tragfähigkeit von 64 Litzen pro Meter, im Vergleich zu nur 13 Litzen bei einer 102 mm dicken Platte mit 3.2 mm Drahtstärke.

Das feinere Paneel enthält 87 Prozent mehr Stahl pro Meter Breite, was zu einem um 87 Prozent höheren Gewicht führt, und trägt 85 Prozent mehr Last. Es weist zudem einen geringeren Materialverlust bei einem Litzenriss auf: Bei 50 mm Durchmesser beträgt der Anteil einer einzelnen Litze von 27 weniger als vier Prozent des Querschnitts, während er bei 102 mm Durchmesser bei einer einzelnen Litze fast acht Prozent beträgt. Das gleiche Paneel mit halber Teilung ist stärker und nachgiebiger, was sich in der höheren Stahldichte und nicht in den vom Tier wahrgenommenen Eigenschaften auszahlt. Der Vergleich stellt die vier Güteklassen direkt gegenüber.

Wo das Scheitern tatsächlich beginnt

Paneele trennen sich selten mitten im Feld. Sie trennen sich an Stellen, an denen sich der Querschnitt ändert, und eine solche Querschnittsänderung ist eine Kerbe. Eine Kerbe reduziert nicht nur die Fläche: Sie wandelt eine einfache Zugkraft in einen Spannungszustand um, der in mehrere Richtungen gleichzeitig wirkt. Ein Material, das unter einer geraden Zugkraft Energie absorbiert, kann unter dieser Kombination spröde werden. Die Liste ist kurz und besteht hauptsächlich aus künstlich erzeugten Kerben. Eine Schweißverbindung ist eine Kerbe mit einer umgebenden Wärmeeinflusszone. Ein abgeschnittenes, überstehendes Drahtende ist ebenfalls eine Kerbe. Ein gebohrtes Loch ist eine Kerbe im Draht. Eine handgewebte Kreuzung ist keine der drei.

Dieser Unterschied entscheidet über das Versagensverhalten der beiden Konstruktionen. Eine spröde Schweißnaht kündigt sich nicht an: Sie hält, bis sie bricht, und das Paneel öffnet sich entlang einer Linie. Ein duktiler Litzenstrang hingegen kündigt den Bruch an, da er sich verengt und abstumpft, bevor er bricht. Dadurch kann ein Paneel, das vor einem möglichen Bruch warnt, inspiziert werden. Der erste Bruch tritt üblicherweise an einer Befestigung und nicht in der Mitte auf. Daher ist es ratsam, die Inspektionsreihenfolge auf die Begrenzung auszurichten, und eine zweimal jährliche Begehung ist sinnvoller als eine höhere Qualitätsstufe.

Was in die Bestellung gehört

Vier Zahlenwerte machen aus einer Beschreibung eine Spezifikation. Die Energie, die das Paneel aufnehmen muss, in Kilojoule. Die zulässige Durchbiegung in Millimetern, die die auf es wirkende Kraft bestimmt. Die Stahlmenge im Lastpfad pro Meter Breite, die die Festigkeit festlegt und von der Öffnung aus nicht sichtbar ist. Die Spannung bei der Übergabe, denn ein absolut gerades Paneel hat die Toleranz, die es robust gemacht hat, bereits verbraucht. Eine 162 Quadratmeter große Platte wiegt 366 kg bei 20 mm × 2.0 mm und 196 kg bei 102 mm × 3.2 mm, daher muss die Handhabung in der Leistungsbeschreibung berücksichtigt werden.

Die Legierung ist die fünfte Ziffer und diejenige, bei der am häufigsten Fehler gemacht werden. Ein Edelstahl der Güteklasse 316 mit Molybdän ist beständiger gegen Chloride und Reinigungsmittel als ein Edelstahl der Güteklasse 304. Kabelnetze, Seilgeflechte, Drahtseilgeflechte und Inox sind alles Bezeichnungen für dieselbe handgewebte Produktfamilie; die Legierung und die Anzahl der Litzen unterscheiden die einzelnen Angebote.

Senden Sie die Energie, die zulässige Auslenkung und den Raum hinter dem Panel.

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