DE3910627C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement, insbesondere
eine Kupplungsmuffe, für eine Schraubverbindung von
selbstbohrenden Injektionsankern bzw. zugeordneten Teilen.
Das Verbindungselement weist auf einer zylindrischen
Grundfläche ausgebildet ein Innengewinde auf,
wobei der Injektionsanker bzw. das zugeordnete Teil ein
entsprechendes, auf einer zylindrischen Grundfläche
ausgebildetes Außengewinde aufweist. Das zugeordnete
Teil kann insbesondere eine Bohrkrone für ein Ankerteil
sein.
Derartige Injektionsanker bzw. allgemein Ankerelemente
werden im Baubereich zu verschiedensten Zwecken eingesetzt.
Beispielsweise im Tunnelbau zur Sicherung einer
Gewölbeausbildung. Die Injektionsanker werden etwa radial
zu dem Gewölbe in das umgebende Gestein eingetrieben
und dort durch eingespülten Beton verankert. Es sind
darüber hinaus noch eine Reihe verschiedener anderer
Anwendungsmöglichkeiten gegeben.
Wesentlich ist, daß ein derartiger Injektionsanker im
Zuge des Eintreibens in den Boden bzw. eine Gesteinsschicht
aus mehreren Ankerelementen zusammengesetzt
wird, die dann im Gestein oder dergleichen verbleiben.
Die Ankerelemente werden durch Kupplungsmuffen miteinander
verbunden. Die Kupplungsmuffen besitzen ausgehend
von beiden Enden ein zylindrisches Innengewinde, so daß
in beide Endbereiche der Kupplungsmuffe ein Ende des
Ankerelementes eingeschraubt werden kann. Die Innengewinde
laufen etwa mittig in der Kupplungsmuffe aus. Die
Kupplungsmuffe bildet im Endbereich der Innengewinde
eine umlaufende Schulter aus, gegen welche die Stirnflächen
der eingeschraubten Enden der Ankerelemente stoßen.
Zur Verbindung von Bohrstangen und Bohrkronen ist es
darüber hinaus bekannt, das Ende der Bohrstange und die
Aufnahme der Bohrkrone jeweils aneinander angepaßt konisch
auszubilden, mit einem Konuswinkel von 3°.
Hinsichtlich der erwähnten Verbindungselemente mit Innenge
winde ist es auch bekannt, für eine Verbindung zwischen
einer Bohrstange und einer Bohrkrone das Gewinde
mit einem Freistich am Ende auszubilden, so daß die
Stirnflächen des Bohrstangenendes und der Bohrkrone an
planen Flächen aufeinander schlagen, um die Stoßenergie
bei einem Bohrvorgang zu übertragen.
Allgemein ist es auch noch bekannt, bei Bewehrungsanschlüssen
zur Übertragung überwiegend ruhender Kräfte
Kupplungsmuffen mit kegligem Feingewinde auf der gesamten
Muffenlänge auszubilden.
Zum Stand der Technik wird hierzu auf "Handbuch Gesteinsbohrtechnik"
Dr. Ing. W. Schwate, Leipzig 1983, Seite
89, hingewiesen und eine Veröffentlichung der Firma
Atlas Copco "Handbuch Gesteinsbohren". Darüber hinaus
auf die Literaturstelle F. Lautmann "Gewindeverbindungen
beim Langlochbohren", veröffentlicht in "BOHREN-SPRENGEN-RÄUMEN"
(1961) 1, S. 13-16.
Die genannten Bewehrungsanschlüsse lassen sich zwar sehr
schnell verschrauben, sind auch relativ gut zu lösen,
müssen jedoch innerhalb sehr enger Toleranzen mit hohem
Aufwand gefertigt werden.
Bei einer rein kraftschlüssigen Verbindung über die erwähnte
Konusausgestaltung kann ein Fressen zwischen den Konusflä
chen auftreten, so daß sich die Elemente nicht oder nur sehr
schwer voneinander lösen lassen. Andererseits sind die über
tragbaren Kräfte begrenzt. Es kann zu einem Durchdrehen
kommen. Auch ist ein unbeabsichtigtes Lösen nicht ausge
schlossen.
Bei der zunächst erwähnten Verbindungsart über zylindrisches
Innen- und Außengewinde ist zwar ein formschlüssiger Zusam
menhalt gegeben, der ein unbeabsichtigtes Lösen nicht zuläßt
und darüber hinaus die Übertragung hoher Kräfte ermöglicht.
Es ist jedoch nicht auszuschließen, daß an der Verbindungs
stelle, im Bereich der Stirnfläche des Ankerendes, welche
Fläche auf die erwähnte umlaufende Schulter in der Muffe
trifft, Relativbewegungen beim schlagenden Bohren auftreten.
Hierdurch kann eine Erwärmung an der Verbindungsstelle ein
treten, die zu einer Festigkeitsminderung führt und in der
Kupplungsmuffe einen Dauerbruch auslösen kann. Es ist daher
anzustreben, eine vorgespannte Verbindung zwischen bspw. dem
Ankerteil und der Kupplungsmuffe zu haben. Andererseits sind
insbesondere Injektionsanker und sie die verbindenden Kupp
lungsmuffen verlorene Teile, die, wie erwähnt, in dem Ge
stein oder dergleichen verbleiben. Es wird daher auch ange
strebt, diese Elemente möglichst preisgünstig auszubilden.
Ausgehend von dem aufgezeigten Stand der Technik stellt sich
der Erfindung die Aufgabe, ein Verbindungselement, insbeson
dere eine Kupplungsmuffe, für beispielsweise selbstbohrende
Injektionsanker anzugeben, das bei kostengünstiger Herstell
barkeit einen erhöhten Gebrauchswert aufweist.
Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebene Erfin
dung gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß sich an die zylindrische
Grundfläche des Innengewindes eine konisch zulaufende Grund
fläche anschließt, auf welcher sich das Innengewinde fort
setzt. Bei unveränderter Ausbildung des einzuschraubenden
Elementes, beispielsweise des Endes eines Injektionsankers,
wird hierdurch erreicht, daß beim Einschrauben zunächst ein
Verklemmen auftritt, wenn der Gewindeauslauf des Injektions
ankers den Übergang zu dem konisch zulaufenden Bereich in
dem Innengewinde des Verbindungselementes erreicht. Beim
nachfolgenden schlagenden Bohren wird ein Endbereich des
eingeschraubten Elementes um ein gewisses Maß in den koni
schen Bereich eingetrieben, und zwar unter Anpassung an den
konischen Bereich durch eine Kaltverformung. Überraschender
weise hat sich herausgestellt, daß trotz einer sicheren,
spielfreien Verbindung gleichwohl ein Trennen der Elemente
durch Abschrauben nach einem Bohrvorgang, soweit erforder
lich, möglich ist. Aufgrund der Verformungsvorgänge stellt
sich eine Vorspannung in der Gewindeverbindung ein, verbun
den mit einem sehr dichten Anliegen aneinander in den Gewin
degängen. Es entsteht eine metallische Dichtung, welche
insbesondere bei den erwähnten Injektionsankern vorteilhaft
ist, die bekanntlich röhrenartig ausgebildet sind, zur Durch
leitung von etwa Spülflüssigkeit oder Betonmasse. In weite
rer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Gewindetiefe und
die Gewindesteigung in dem zylindrischen Bereich und in dem
konischen Bereich gleich sind. Es wird in dem konischen
Bereich die Gewindeprofilierung praktisch in gleicher Weise
wie in dem zylindrischen Bereich fortgeführt. Aufgrund der
Ausbildung des Gewindeprofils auf einer konischen Fläche
ergibt sich jedoch eine gewisse Profilverzerrung. Es ist
auch vorteilhaft, daß der Konuswinkel in dem konischen Be
reich größer ist als der Grenzwinkel für Selbsthemmung der
Werkstoffpaarung an der Verbindungsstelle. Bei Stahl beträgt
der Grenzwinkel bekanntlich etwa 6. Es ist bevorzugt, in
den konischen Bereich den Konuswinkel deutlich über diesem
Winkel für Selbsthemmung zu wählen. Für die Werkstoffpaarung
Stahl auf Stahl ist bevorzugt, einen Konuswinkel von etwa
10 zu wählen. Bei einer Ausbildung des Verbindungselementes
als Kupplungsmuffe ist diese symmetrisch bezüglich eines
etwa mittigen Querschnittes ausgebildet. Ausgehend von die
sem mittigen Querschnitt schließt sich in beiden Richtungen
entsprechend zunächst ein sich konisch erweiternder Bereich
mit Innengewinde an und sodann ein zylindrischer Bereich mit
Innengewinde, wobei das Gewindeprofil in dem zylindrischen
und dem konischen Bereich jeweils dasselbe ist, und zwar auf
beiden Seiten. Weiter bevorzugt ist, daß das Innengewinde
ein sogenanntes Kordelgewinde ist, wie es im einzelnen aus
der Zeichnung hervorgeht, auf welche noch weiter
unten eingegangen ist. Das Kordelgewinde gleicht einem Tra
pezgewinde mit abgerundeten Flanken. Im einzelnen ist der
zylindrische Bereich bevorzugt mit einer Länge ausgebildet,
die etwa dem eineinhalbfachen des Gewindeaußendurchmessers
des Innengewindes in diesem Bereich entspricht. Der konische
Bereich ist bevorzugt mit einer Länge ausgebildet, die etwa
1/3 des Gewindeaußendurchmessers im zylindrischen Bereich
entspricht.
Nachstehend ist die Erfindung noch weiter im einzelnen an
hand der Zeichnung, die jedoch lediglich Ausfüh
rungsbeispiele darstellt, erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine Kupplungsmuffe mit einseitig eingeschraubtem
Ankerteil;
Fig. 2 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung des Innen
gewindes bei dem Gegenstand gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein weiteres alternatives Verbindungselement, mit
einseitig ausgebildetem zylindrischem und koni
schem Gewindebereich.
Dargestellt und beschrieben ist eine Kupplungsmuffe 1
(Fig. 1), die mit einem Endbereich eines im einzelnen nicht
dargestellten Injektionsankers 2 verbunden ist, sowie eine
Einheitsübergangsmuffe 3 (Fig. 3), die weiter unten im ein
zelnen beschrieben ist.
Injektionsanker, bei welchen Kupplungsmuffen gemäß Fig. 1
bzw. Einheitsübergangsmuffen gemäß Fig. 3 bevorzugt zum
Einsatz kommen, sind beispielsweise aus der DE-OS 34 00 182
bekannt.
Die in Fig. 1 dargestellte Kupplungsmuffe 1 besitzt zwei
innere zylindrische Bereiche a, an welche sich jeweils ein
konischer Bereich b anschließt. In dem zylindrischen Bereich
a ist eine Gewindeprofilierung auf einer zylindrischen Grund
fläche ausgebildet, und in dem konischen Bereich b ist die
Gewindeprofilierung auf einer konischen Grundfläche ausgebil
det. Die Gewindeprofilierung ist in beiden Bereichen hin
sichtlich der geometrischen Abmessungen, wie Gewindetiefe,
Gewindesteigung und Querschnittsfläche einer Gewinderippe
gleich. Die Gewindeprofilierungen unterscheiden sich nur
dadurch, daß eben in dem konischen Bereich b die Gewindepro
filierung auf der konischen Fläche ausgebildet ist.
Ein Konuswinkel alpha des konischen Bereiches b ist größer
als der Grenzwinkel für Selbsthemmung bei der zugrundeliegen
den Werkstoffpaarung. Bei den Ausführungsbeispielen bestehen
die Kupplungsmuffe, die Einheitsübergangsmuffe und auch die
Ankerteile jeweils aus Stahlguß, für welche von einem Grenz
winkel für Selbstreibung von etwa 6° ausgegangen wird. Bevor
zugt ist der Winkel alpha des konischen Bereiches deutlich
größer, beim Ausführungsbeispiel etwa 10°. Bezüglich eines
mittleren Querschnittes Q ist die Kupplungsmuffe 1 symme
trisch ausgebildet. Das Innengewinde 8 der Kupplungsmuffe 1
ist bevorzugt ein Kordelgewinde, wie es im einzelnen in Fig.
2 dargestellt ist. Es handelt sich im wesentlichen um ein
Trapezgewinde mit abgerundeten Übergängen 4 der Flanken 5 in
den zylindrischen Abschnitt 6.
Die in Fig. 3 dargestellte Übergangsmuffe 3 dient zur Verbin
dung eines (nicht dargestellten) Ankerteiles 2 mit beispiels
weise dem Abtrieb eines - gleichfalls nicht dargestellten -
Bohrhammers. Hierbei wird das Ankerteil 2 auf der in Fig. 3
linken Seite eingeschraubt, während das Antriebsteil des
Bohrhammers auf der in Fig. 3 rechten Seite in die Übergangs
muffe eingeschraubt wird.
Wie beim Gegenstand gemäß Fig. 2 ist auch beim Gegenstand
gemäß Fig. 3 das Innengewinde 8 auf der linken Seite der
Übergangsmuffe 3 in einen zylindrischen Bereich a und einen
konischen Bereich b aufgeteilt.
Während die Länge des Abschnittes a beim Gegenstand gemäß
Fig. 1 etwa dem 1 1/2-fachen des Gewindeaußendurchmessers c
entspricht, ist diese Länge beim Gegenstand gemäß Fig. 3
etwas größer gewählt. Sie entspricht etwa dem 1,8-fachen.
Die Länge des Bereiches b entspricht etwa einem Drittel bis
der Hälfte der Länge eines Außendurchmessers des Innengewin
des 8 im Bereich des Abschnittes a. Die Länge dieses Ab
schnittes ist aber weniger von Bedeutung, wie weiter unten
noch im einzelnen ausgeführt ist, da sie nicht voll ausge
nutzt ist. Es ist jedoch von Bedeutung, daß sie mindestens
die Länge eines Gewindeganges übertrifft.
Die beschriebene Gewindeausbildung kann auch bei einer Bohr
krone ausgebildet sein, die als vorderstes Element auf einen
Injektionsanker ausgeschraubt wird. Insofern ist im Rahmen
dieser Anmeldung die Bezeichnung Verbindungselement auch als
Endelement, bspw. als Bohrkrone zu verstehen.
Beim Aufschrauben des Verbindungselementes auf das Ende
eines Injektionsankers 2 oder dergleichen kann das Verbin
dungselement ohne weiteres soweit aufgeschraubt werden, bis
das eingeschraubte Ende des Injektionsankers an den Übergang
zu dem konischen Bereich stößt. Es stellt sich dann zunächst
ein punktförmiges Verklemmen in diesen Bereich ein. Durch den
dann anzuschließenden Bohrhammer wird der Injektionsanker 2
und das Verbindungselement im folgenden drehend schlagendbe
ansprucht. Dies führt zu einem Umformvorgang im vorderen
Bereich des Injektionsankerendes. Im Wege einer Kaltverfor
mung paßt sich das Ende des Injektionsankers 2 an den koni
schen Bereich b des Innengewindes 8 an.
In Fig. 1 ist dies dadurch angedeutet, daß der letzte Gewin
degang 10 des Injektionsankers 2 sich in dem konischen Be
reich b befindet. Dies stimmt überein mit dem in der Praxis
gefundenen Ergebnis, daß dieser Umformvorgang etwa auf der
Länge eines Gewindeganges auftritt.
Nachdem eine feste Kupplung vorliegt, wird die Schlagenergie
ausschließlich über den Kontakt in den Gewindegängen, durch
die spielfrei verspannten Flanken erreicht. Wesentlich ist
hierbei, daß zwangsläufig auch eine metallische Dichtung
entsteht. Die Injektionsanker sind, wie sich bspw. aus
Fig. 1 ergibt, mit einem inneren Kanal 7 ausgebildet, zur
Durchleitung von Spülflüssigkeit oder einer Betonmasse. Bei
Undichtigkeiten im Bereich der Kupplungsmuffe 1 oder auch
der Übergangsmuffe 3 kann Spülflüssigkeit oder Betonmasse an
unerwünschten Stellen austreten. Dies ist durch die hier
beschriebene Ausbildung gleichzeitig zuverlässig verhindert.
Überraschenderweise läßt sich die Gewindeverbindung auch gut
lösen. Hierbei ist der erwähnte große Konuswinkel von vor
zugsweise ca. 10° mit von Bedeutung. Ein Fressen des Gewin
des kann durch ein gutes Fetten der Stangenenden verhindert
werden. Gleichzeitig wirkt sich in dieser Beziehung aber
auch die Verfestigung an dem Endbereich des Injektionsankers
2 vorteilhaft aus durch die Kaltverformung und auch eine
gewisse Verfestigung des entsprechenden Bereiches des Innen
gewindes 8 der Kupplungsmuffe 1 oder der Übergangsmuffe 3.
Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirkli
chung der Erfindung von Bedeutung sein.
Claims (7)
1. Verbindungselement, insbesondere Kupplungsmuffe (1), für
eine Schraubverbindung von selbstbohrenden Injektionsankern
(2) bzw. zugeordneten Teilen, mit einem auf einer zylindri
schen Grundfläche (zylindrischer Bereich a) ausgebildeten
Innengewinde (8), wobei der Injektionsanker (2) bzw. der
zugeordnete Teil ein entsprechendes, auf einer zylindrischen
Grundfläche ausgebildetes Außengewinde (9) aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß an die zylindrische Grundfläche (Bereich
a) des Innengewindes (8) eine konisch zulaufende Grundfläche
(b) anschließt, auf welcher sich das Innengewinde (8) fort
setzt.
2. Verbindungselement, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß Gewindetiefe und Gewindesteigung in dem
zylindrischen Bereich (a) und dem konischen Bereich (b)
gleich sind.
3. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren
der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Konuswinkel (alpha) größer ist als der Grenzwinkel für
Selbsthemmung der Verbindungs-Werkstoffpaarung.
4. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren
der vorstehenden Ansprüche, bei Ausbildung einer Kupplungs
muffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsmuffe (1)
bezüglich eines etwa mittigen Querschnitts (Q) symmetrisch
ausgebildet ist.
5. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren
der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Innengewinde (8) ein Kordelgewinde ist.
6. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren
der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
zylindrische Bereich (a) mit mindestens einer etwa dem
1 1/2-fachen des Gewindeaußendurchmessers (c) des Innengewin
des (8) entsprechenden Länge ausgebildet ist.
7. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren
der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
konische Bereich (b) mit einer etwa einem Drittel des
Gewindeaußendurchmessers entsprechenden Länge ausgebildet
ist.
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