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Effektive Ingenieurskonstanten in Faserquerrichtung

Auch bei der Bestimmung der effektiven Ingenieurskonstanten in Faserquerrichtung wird das Faser-Matrix-Modell zunächst idealisiert und schließlich homogenisiert. Dabei kann eine Belastung senkrecht zur Faserrichtung als Reihenschaltung von Federn idealisiert werden. Diese können dann als eine Feder mit der gesuchten effektiven Steifigkeit homogenisiert werden.

Bild: Veranschaulichung des Vorgehens für die Berechnung der effektiven Ingenieurskonstanten in Faserquerrichtung.

Nun wird die Gleichgewichtsbedingung, Kinematik und das Werkstoffgesetz aufgestellt.

1. Gleichgewichtsbedingung

Es wird ein Kräftegleichgewicht in Faserquerrichtung aufgestellt. Aufgrund der Idealisierung des Systems als Reihenschaltung von Federn ist die angreifende Kraft gleich der resultierenden Kraft in der Faser und der resultierenden Kraft in der Matrix .

Aufgrund der identischen Kraftangriffsflächen ergibt sich für die Spannungen:

(1)

 2. Kinematik

Bei Reihenschaltung von Federn ist die Gesamtauslenkung die Summe der Auslenkung der einzelnen Federn:

Über Definition der Verzerrung kann diese Gleichung umgeschrieben zu:

(2)

3. Werkstoffgesetz

Das Werkstoffgesetz für den eindimensionalen Fall (Hooke'sches Gesetz) wird jeweils für das homogenisierte Gesamtsystem, die Faser und die Matrix aufgestellt:

homogenisiertes Gesamtsystem (3)
Faser (4)
Matrix (5)

Im Folgenden sollen die Verzerrungen mit dem relativen Faservolumenanteil dargestellt werden. Hierfür wird die Definition des relativen Faservolumenanteils über die Größe verwendet. Teilt man also Gleichung (2) durch die Ausgangslänge so findet sich diese Definition wieder:

(6)

Nun werden die Verzerrungen der Faser und der Matrix in Gleichung (6) durch das Materialgesetz aus Gleichung (4) und (5) ersetzt:

(7)

Durch die Gleichheit der Spannung aus Gleichung (1) kann man die Faser- und Matrixspannung durch die allgemeine Spannung ersetzen und diese wiederum ausklammern:

(8)

Dividiert man nun durch den Faktor von ergibt sich:

(9)

Vergleicht man nun noch Gleichung (9) mit dem Stoffgesetz aus Gleichung (3) erhält man daraus das effektive E-Modul in Faserquerrichtung:

Das Vorgehen für das Schubmodul ist analog und liefert:

Die Querkontraktionszahl berechnet sich aus dem effektivem E-Modul in Faserlängsrichtung und dem effektivem E-Modul in Faserquerrichtung , sowie der Querkontraktionszahl in Faslängsrichtung :