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Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Befestigungselemente zum Befestigen eines Bauteils an einem Verankerungsgrund, die einen Schaft mit einem Lastangriffsmittel, einen Spreizkörper, ein Spreizelement und eine Hülse aufweisen, sind in der Befestigungstechnik allgemein bekannt. Insbesondere handelt es sich hierbei um so genannte Hinterschnittanker, die in ein zylindrisches Bohrloch eingebracht werden, das im Bereich des Bohrlochsgrundes konisch erweitert ist. Das Bohrloch kann im Verankerungsgrund oder im zu befestigenden Bauteil eingebracht sein. Das Befestigungselement wird in einer derartigen Hinterschnittbohrung verankert, indem das Spreizelement durch den Spreizkörper radial nach außen in den konischen Bereich des Bohrlochs verdrängt wird, wodurch eine formschlüssige Verbindung zwischen Verankerungsgrund und Befestigungselement geschaffen wird. Beispielsweise wird durch Eindrücken der Hülse in das Bohrloch das Spreizelement auf den mit dem Schaft verbundenen Spreizkörper geschoben, der konisch ausgestaltet ist. Beim Aufschieben des Spreizelements auf den konischen Spreizkörper wird das Spreizelement radial nach außen bewegt und somit in den Hinterschnitt gespreizt. Alternativ kann der Schaft des Befestigungselements als Schraube ausgebildet sein, die in die als Hohlzylinder mit Innengewinde ausgebildete Hülse eingeschraubt wird. Die Schraube ist gleichzeitig der Spreizkörper, der das an der Hülse angeordnete Spreizelement in den Hinterschnitt verspreizt.
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Die Offenlegungsschrift
DE 40 11 229 A1 zeigt beispielhaft ein Befestigungselement mit einem als Gewindebolzen mit kreiszylindrischem Grundkörper ausgeformten Schaft, an den in Einbringrichtung in ein Hinterschnittbohrloch vorn ein Spreizkörper in Form eines konischen Spreizabschnitts angeformt ist, der sich in Einbringrichtung erweitert. Das Spreizelement ist ein wellenförmiger, geschlossener Spreizring, der den Schaft umfasst. Im unverspreizten Zustand ist der Durchmesser des Spreizrings im Wesentlichen gleich dem maximalen Außendurchmesser des konischen Bereichs. Zum Verspreizen des Spreizelements im Bohrloch wird eine als Hohlzylinder ausgeformte Hülse auf den Schaft aufgeschoben, wodurch der Spreizring über den Spreizabschnitt geschoben, radial geweitet und in den konischen Hinterschnitt des Bohrlochs geschoben wird.
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Das Befestigungselement überträgt für gewöhnlich Kräfte vom zu befestigenden Bauteil in den Verankerungsgrund. Die Kräfte können als Zug- bzw. Druckkräfte in Achsrichtung wirken oder als Querkräfte senkrecht zur Achsrichtung. Die Achsrichtung des Befestigungselements wird durch eine Achse bestimmt, die in Längsrichtung durch den Schaft des Befestigungselements verläuft. Bei einem Schaft mit kreiszylindrischem Grundkörper verläuft die Achse des Schafts durch die Mittelpunkte der Grund- und der Deckfläche des den Grundkörper bildenden Kreiszylinders.
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Typischerweise besteht die Hülse des Befestigungselements aus Metall, insbesondere Stahl beziehungsweise Edelstahl, wobei aus den Drucksschriften
DE 40 30 498 A1 und
EP 1 198 648 B1 auch Befestigungselemente bekannt sind, deren Hülsen aus Kunststoff bestehen. Eine Hülse aus Metall bietet den Vorteil, dass sie durch Schläge auf ein Setzwerkzeug in das Bohrloch eingetrieben werden kann, und die Montage der Hülse nicht, wie in der Druckschrift
DE 40 11 229 A1 beschrieben, erst nach dem Verspreizen des Spreizelements am Befestigungselement erfolgen muss. Das Befestigungselement kann somit als eine Einheit montiert werden, wodurch das Befestigungselement für einen Benutzer montagefreundlich ist. Hülsen aus Metall sind im Allgemeinen so druckfest, dass die Schläge mit dem Setzgerät von der Hülse direkt auf das Befestigungselement übertragen werden. Die Hülse verformt sich unter den Schlägen nur unwesentlich. Dagegen weisen Hülsen aus Kunststoff eine derart große Druckfestigkeit im Allgemeinen nicht auf. Auf Grund der geringen Druckfestigkeit dehnt sich eine Hülse aus Kunststoff in Querrichtung, wodurch die Hülse sich unter Druckbelastung, wie sie bei einem Schlag auf bzw. durch ein Setzgerät herrscht, so sehr dehnt, dass sie an der Bohrlochwand anliegt, sich dort verklemmt und ein planmäßiges Verspreizen des Spreizelements nicht möglich ist. Hülsen aus Kunststoff werden daher für gewöhnlich, wie in der Druckschrift
DE 40 30 498 A1 beschrieben, nach dem Verspreizen des Spreizelements in das Bohrloch eingesetzt oder, wie in der Druckschrift
EP 1 198 648 B1 beschrieben, durch eine kontinuierliche Krafteinleitung durch langsames Aufdrehen einer Mutter in das Bohrloch eingeschoben, wodurch die Druckbelastung und somit die Querdehnung begrenzt wird, so dass das Spreizelement mit der Hülse gespreizt werden kann.
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Die Hülse dient aber nicht nur zum Verspreizen des Spreizelements. Zur Übertragung von Querkräften, die durch das Befestigungselement vom Anbauteil auf den Verankerungsgrund übertragen werden müssen, ist die Hülse des Befestigungselements von entscheidender Bedeutung, da die Querkräfte über die Hülse auf die Bohrlochwand übertragen werden. Die Hülse liegt hierzu an der Bohrlochwand an. Nachteilig an den bekannten Befestigungselementen mit Hülsen aus Metall ist, dass sie auf Grund der zum Verspreizen mit einem Setzwerkzeug notwendigen Druckfestigkeit der Hülsen, eine geringere Querkraft in den Verankerungsgrund abtragen können, als Hülsen aus relativ weichem Kunststoff. Eine harte Hülse mit hoher Druckfestigkeit, die beispielsweise aus Stahl hergestellt ist, liegt an der Bohrlochwand, auf Grund des im Regelfall vorhandenen Spiels zwischen Bohrlochwand und Hülse, nur punkt- bzw. linienförmig und nicht flächig an. Die Kraft wird nicht über eine Fläche verteilt, wodurch es zu Spannungsspitzen kommt, die schon bei einer relativ geringen Querkraft zum Versagen des Verankerungsgrunds führen. Ist die Hülse dagegen aus einem relativ weichen Material wie Kunststoff gefertigt, so verformt sich die Hülse unter der Einwirkung der Querkraft derart, dass sie vollflächig am Verankerungsgrund anliegt. Somit entstehen keine Spannungsspitzen, sondern es entsteht eine relativ gleichmäßige Pressung des Verankerungsgrundes, wodurch das Befestigungselement größere Kräfte in den Verankerungsgrund übertragen kann, als ein Befestigungselement mit einer Hülse aus Stahl.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein derart verbessertes Befestigungselement zu schaffen, das einfach zu montieren ist und trotzdem relativ große Querkräfte aufnehmen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Befestigungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Befestigungselement weist eine Hülse aus Kunststoff auf, wobei kennzeichnend ist, dass die Hülse zumindest teilweise aus einem mit Kohlenstofffasern verstärkten Kunststoff hergestellt ist (im Folgenden CFK genannt). Insbesondere kann die gesamte Hülse aus einem CFK bestehen. Eine aus einem CFK gefertigte Hülse ist relativ hart, deutlich härter als eine aus unverstärktem oder mit Glasfasern verstärkten Kunststoff. Allerdings ist die mit Kohlenstofffasern verstärkte Hülse nicht so hart beziehungsweise druckfest, wie eine Hülse aus Stahl oder Edelstahl. Erwartungsgemäß sollte ein erfindungsgemäßes Befestigungselement mit einer mit Kohlenstofffasern verstärkten Hülse eine Querkraft übertragen können, die größer ist, als wenn die Hülse aus Stahl oder Edelstahl wäre, aber kleiner ist, als wenn die Hülse aus einem unverstärkten Kunststoff hergestellt ist. Es wurde aber überraschend festgestellt, dass ein erfindungsgemäßes Befestigungselement deutlich größere Querkräfte übertragen kann, als dies mit einem Befestigungselement mit einer unverstärkten Hülse möglich wäre; und dies, obwohl das erfindungsgemäße Befestigungselement, auf Grund der Druckfestigkeit der aus CFK hergestellten Hülse, schlagend, also durch Schläge auf oder durch ein Setzgerät, in einem Hinterschnittbohrloch verspreizt werden kann. Hierdurch ist das erfindungsgemäße Befestigungselement anwenderfreundlich als einfach zu montierende Montageeinheit einsetzbar.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Befestigungselements ist der CFK ein Polyamid, vorzugsweise ein Polyamid PA6 oder PA 6.6. Erfindungsgemäße Befestigungselemente mit Hülsen aus diesen Kunststoffen zeigten ein sehr gutes Setzverhalten bei gleichzeitig guten Eigenschaften hinsichtlich der Übertragung von Querkräften.
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Insbesondere hat sich eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Befestigungselements als vorteilhaft erwiesen, bei der der Gewichtsanteil der Kohlenstofffasern an dem verstärkten Kunststoff der Hülse 15% bis 25%, insbesondere 20%, beträgt. Hierbei sind die Prozentangaben mit einer Toleranz von +/– zwei Prozentpunkten zu verstehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In 1 ist ein erfindungsgemäßes Befestigungselement 1 in einer Ansicht dargestellt. Das Befestigungselement 1 zum Befestigen eines Bauteils an einem nicht dargestellten Verankerungsgrund ist als Hinterschnittanker 2 ausgeführt. Der dargestellte Hinterschnittanker 2 dient insbesondere zur Befestigung von Fassadenplatten aus Naturwerkstein an einer Unterkonstruktion, über die die Fassadenplatte mit einer tragenden Struktur eines Gebäudes verbunden ist (nicht dargestellt).
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Der Hinterschnittanker 2 weist einen Schaft 3 auf, mit einem als Außengewinde 4 ausgestalteten Lastangriffsmittel 5, an dem ein nicht dargestelltes Bauteil mit Hilfe einer ebenfalls nicht dargestellten Mutter befestigbar ist. An den kreiszylindrischen Schaft 3 des Befestigungselements 1 schließt sich in Einbringrichtung E vor dem Schaft 3 ein Spreizkörper 6 in Form eines kegelstumpfförmigen Spreizabschnitts 7 an, der sich in Einbringrichtung E konisch erweitert und das vordere Ende 8 des Befestigungselements 1 bildet. Die Achse A des Befestigungselements 1 verläuft durch die Mittelpunkte der kreisförmigen Grund- und Deckfläche des kreiszylindrischen Schaftes 3 bzw. durch den Mittelpunkt der ebenfalls kreisförmigen Querschnittsfläche des vorderen Endes 8 des Befestigungselements 1.
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Zudem weist der Hinterschnittanker 2 ein Spreizelement 9 und eine Hülse 10 auf. Das Spreizelement 9 ist als wellenförmig gebogener und geschlossener Spreizring 11 ausgebildet, der zum Verspreizen mittels der Hülse 10 gegen den Spreizkörper 6 und dadurch über den konischen Spreizabschnitt 7 radial nach außen verformt wird, so dass der Spreizring 11 in ein nicht dargestelltes Hinterschnittbohrloch verspreizbar ist. Die Hülse 10 weist eine Höhe H und einen Außendurchmesser D auf, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Befestigungselements 1 im unverspreizten Zustand entspricht. Der Durchmesser D korrespondiert im Regelfall mit dem Durchmesser des zylindrischen Teils des nicht dargestellten Hinterschnittbohrlochs.
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Während der Schaft 3, der Spreizkörper 6 und das Spreizelement 9 aus einem Edelstahl hergestellt sind, besteht die Hülse 10 aus einem mit Kohlenstofffasern verstärkten Polyamid (PA 6.6), wobei der Gewichtsanteil der Kohlenstofffasern am dem verstärkten Kunststoff 20% beträgt. Die Hülse 10 ist im Spritzgussverfahren einfach und kostengünstig herstellbar.
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Versuche haben ergeben, dass die Hülse 10 des erfindungsgemäßen Befestigungselements 1 mit einem durch 20% Gewichtsanteil Kohlestofffasern verstärkten Polyamid eine gegenüber entsprechenden Hülsen aus den bisher üblichen Kunststoffen, unverstärktem Polyamid beziehungsweise mit Glasfasern verstärktem Polyamid, eine derart verbesserte Druckfestigkeit aufweist, dass damit ein Verspreizen des Spreizelements 9 durch auf die Hülse 10 aufgebrachte Schläge möglich ist, was bislang nur mit einer Hülse aus Metall, insbesondere mit einer Hülse aus Stahl beziehungsweise Edelstahl, möglich war.
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Bei Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Befestigungselement 1 zur Bestimmung der aufnehmbaren Querkraft ergab sich zudem überraschend, dass die aufnehmbare Querkraft nicht wie erwartet geringer ist, als die aufnehmbare Querkraft einer Hülse 10, die aus unverstärktem Polyamid hergestellt ist. Obwohl die aufnehmbare Querkraft einer mit Glasfasern verstärkten Hülse 10 geringer ist als die einer unverstärkten Hülse 10 aus Polyamid, ist die aufnehmbare Querkraft einer mit einem Gewichtsanteil von 15% bis 25% Kohlenstofffasern verstärkten Hülse 10 aus Polyamid größer. Und dies, obwohl die mit Kohlenstofffasern verstärkte Hülse 10 eine größere Druckfestigkeit und Härte aufweist als eine aus einem mit Glasfasern verstärkten Kunststoff hergestellte Hülse 10.
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Die in Tabelle 1 aufgeführten Versuche wurden in einem als Granit klassifizierten Naturwerkstein mit Handelsnamen Verde Vittoria durchgeführt. Der erfindungsgemäße Hinterschnittanker 2 wurde in eine 15 mm tiefe Hinterschnittbohrung eingebracht und verspreizt. Die Höhe H der Hülse 10 wurde so gewählt, dass das in Einbringrichtung hintere Ende der Hülse 10 nach dem Verspreizen des Hinterschnittankers 2 bündig mit dem Rand der Hinterschnittbohrung war. Der Durchmesser D der Hülse 10 betrug bei den Versuchen 12,6 mm, bei einem Durchmesser der Hinterschnittbohrung von 13 mm.
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Für die Versuche wurden Hülsen
10 mit identischer Geometrie verwendet, die allerdings aus unterschiedlichen Materialien hergestellt waren. Tabelle 1
| Material der Hülse 10 | aufnehmbare Querkraft des Befestigungselements 1 | relative Druckfestigkeit der Hülse 10 |
| unverstärktes Polyamid | 17,8 kN | gering |
| mit 30% Gewichtsanteil Glasfasern verstärktes Polyamid | 17,6 kN | größer als bei unverstärktem Polyamid |
| Mit 20% Kohlenstofffasern verstärktes Polyamid | > 20,0 kN | größer als bei mit Glasfasern verstärktem Polyamid1) |
| Edelstahl A4 | 14,3 kN | hoch1) |
1)Befestigungselement ist durch Schläge auf die Hülse planmäßig verspreizbar
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Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Hülse 10 ein Befestigungselement 1 geschaffen wird, das schlagend und somit einfach montierbar ist und trotzdem Querkräfte aufnehmen kann, die größer sind als die Querkräfte, die von den bekannten Befestigungselementen mit den bisher für die Hülse 10 verwendeten Materialien aufgenommen werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Befestigungselement
- 2
- Hinterschnittanker
- 3
- Schaft
- 4
- Außengewinde
- 5
- Lastangriffsmittel
- 6
- Spreizkörper
- 7
- Spreizabschnitt
- 8
- vorderes Ende des Befestigungselements 1
- 9
- Spreizelement
- 10
- Hülse
- 11
- wellenförmiger Spreizring
- A
- Achse des Befestigungselements 1
- D
- Außendurchmesser des Befestigungselements 1
- E
- Einbringrichtung des Befestigungselements 1 in ein nicht dargestelltes Bohrloch
- H
- Höhe der Hülse 10 des Befestigungselements 1
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4011229 A1 [0003, 0005]
- DE 4030498 A1 [0005, 0005]
- EP 1198648 B1 [0005, 0005]
