DE68904456T2 - Verbinden von thermoplastisch beschichteten stahlrohrabschnitten. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Verbinden von Stahlrohrabschnitten, die außen mit Kunststoff beschichtet sind, und ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf das verbinden von Stahlrohrabschnitten anwendbar, die Pfähle bilden; ferner bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zum Eintreiben von Pfählen unter Verwendung der Verbindungsverfahren.
• Eine übliche Methode zum Verstärken der Fundamente von Gebäuden, die auf lockerem Untergrund ruhen, besteht darin, verbindbare Pfahlelemente unter oder neben lasttragenden Bauwerksteilen bis auf festen Grund zu treiben und dann in geeigneter Weise die Last vom Gebäude auf den fertigen Pfahl überzuleiten.
• In dem Pfahltreibsystem, auf das sich die Erfindung bezieht, werden verbundene Pfahlelemente mit Hilfe eines Hochgeschwindigkeits-Pfahltreibers bis auf festen Grund getrieben. Ein derartiger Pfahltreiber besitzt einen sehr leichten Rammklotz, gleicht dies aber dadurch aus, daß er auf den oberen Teil des Pfahls mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 10 m/s aufschlägt, was im Zusammenhang mit Pfahltreiben ein äußerst hoher Wert ist. Infolge der hohen Aufprallgeschwindigkeit und wegen der Ausgestaltung des Schlagwerkzeugs in der Weise, daß eine vollkommen ungedämpfte Übertragung der Schlagkraft vom Rammklotz auf das den Pfahl bildende Stahlrohr bewirkt wird, entsteht im Pfahl eine sehr intensive Schlagkraft kurzer Dauer. Das Lastniveau ist ausreichend hoch, um festzustellen, ob in dem Grund unter der Pfahlsohle eine beabsichtigte Tragfähigkeit erreicht wird, nämlich an einer Stelle, an der die Schlagkraft während einer "Probebelastung" des Grunds reflektiert wird, sobald sich der Pfahl nicht mehr weiter eintreiben läßt, oder ob während des Eintreibens des Pfahls ein weiteres Einbrechen in den Grund erreicht wird. Die schnell anschwellende und intensive Schlagkraft ergibt an der Vorderkante der damit verbundenen Stoßwelle eine Beschleunigung von etwa 1000 g.
• Solche moderne Schlagwerkzeuge haben mehr Konstruktionsähnlichkeiten mit druckluft- oder hydraulikbetriebenen Betonbrech- und Felsbohr-Maschinen als mit herkömmlichen Pfahltreibern.
• Bei Pfahltreibsystemen ist es vorbekannt, eine Verbindung zwischen Stahlrohren durch Verwendung einer äußeren Rohrhülse herzustellen, die an beide zu verbindende Pfahlelemente geschweißt wird. Die Hülse und die Pfahlelemente sind dann starr miteinander verbunden, und die Schweißstelle wird einer Kraft von etwa 35 bis 50 kN ausgesetzt, nämlich der Hülsenmasse von ungefähr 3,5 bis 5 kg mal die Beschleunigung von ungefähr 1000 g, und zwar zweimal pro Schlag, d.h. 800 bis 1000 Mal pro Minute in entgegengesetzten Richtungen. Schweißungen, die diesen Belastungen standhalten, sind bei dünnwandigen 76mm-Stahlrohren, die für diese Anwendung normalerweise verwendet werden, sehr schwer zu erzielen, insbesondere da dem Stahl seine hohe Festigkeit zum Teil durch Kaltverformung verliehen wurde. Bei dieser Verbindung stellt sich somit ein Qualitätsproblem, da die Verbindungsstellen nacheinander in den Boden verschwinden und daher nach Fertigstellung des Eintriebs nicht inspiziert werden können.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen Verfahrens zum Verbinden von äußerlich mit Kunststoff beschichteten Stahlrohren, insbesondere - aber nicht ausschließlich - solchen, die zur Gebäudeverankerung verwendet werden, bei welchem Verfahren vorgenannte Probleme des Standes der Technik ausgeschaltet sind, und ferner die Bereitstellung eines Verfahrens zum Eintreiben solcher Stahlrohre als Pfahl.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden bei einem Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten Stahlrohrs, welches außen mit einem thermoplastischen Kunststoff beschichtet ist, einander benachbarte Rohrabschnitte mittels einer Verbindungshülse miteinander verbunden, wobei gemäß dem Verfahren die Verbindungshülse und die Kunststoffbeschichtung der Rohrabschnitte bis zu einem hochplastischen Zustand des Kunststoffs erhitzt werden, wonach die Enden der Rohrabschnitte in die Verbindungshülse gepreßt werden, während erhitztes Kunststoffmaterial am Außenumfang der Rohrabschnitte verdrängt wird, wobei die Verbindungshülse einen Innendurchmesser hat, der etwas kleiner ist als der Außendurchmesser der Kunststoffbeschichtung der Rohrabschnitte.
• Somit werden die unten dargestellten Ziele durch erfindungsgemäße Verfahren erreicht, indem die Verbindungshülse und die Kunststoffbeschichtung der Rohrabschnitte bis zu einem hochplastischen Zustand erhitzt werden, dann die Rohrenden unter die Verbindungshülse hineingepreßt werden und dabei erhitztes Kunststoffmaterial am Außenumfang der Rohre verdrängt wird, wobei die Verbindungshülse einen Innendurchmesser hat, der etwas kleiner ist als der Außendurchmesser der Kunststoffbeschichtung der Rohre.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beim Verfahren zum Eintreiben eines Pfahls ein erster Stahlrohrabschnitt mit äußerer Kunststoffbeschichtung eingetrieben und mit einem zweiten Stahlrohrabschnitt mit äußerer Kunststoffbeschichtung verbunden, und der erste und der zweite Rohrabschnitt werden im miteinander verbundenen Zustand eingetrieben, wobei die Verbindung mittels eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt wird.
• Somit wird bei Anwendung der Erfindung auf das Eintreiben von Pfählen die Verbindungshülse heißschmelzend mit beiden Pfahlelementen verklebt und ist mit diesen daher über eine dünne Kunststoffschicht verbunden, welche die extreme Beschleunigung dämpft, abfedert und teilweise absorbiert, was dazu führt, daß die Hülse mit gemäßigten Trägheitsbelastungen den Pfahl nach unten in den Boden begleitet und nicht an den extremen Richtungswechselbeschleunigungen der Pfahlstahlteilchen teilzunehmen braucht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit eine Pfahlverbindung erzielt, bei der eine dünne zwischen Hülse und Pfahl befindliche Kunststoffklebschicht die Verbindungshülse zumindest teilweise gegenüber den Stoßwellenbeschleunigungen isoliert, die im Pfahl während des Eintreibens erzeugt werden.
• Das oben genannte Prinzip führt zu einer gewissen Energieabsorption im Kunststoff, die eine Erwärmung des Kunststoffs zur Folge hat. Wenn ein Pfahl über eine lange Zeitdauer eingetrieben wird, kann diese Erwärmung dazu führen, daß die Kunststoffschicht zwischen den Pfahlelementen oberhalb oder unterhalb der Verbindungsstelle so warm wird, daß sie schmilzt oder plastisch wird, wodurch die Verbindungshülse sich mit Hilfe der ungedämpften Trägheitskräfte am Pfahl entlang bewegen kann, solange die Kunststoffbeschichtung in der Umgebung der Hülsenverbindung fortdauernd schmilzt. Mit dem Ziel, diese äußerst unerwünschte Wirkung zu verhindern, kann die Hülse auf eine noch höhere Temperatur vorerhitzt werden, bevor sie an einem Element angebracht wird, so daß sie beim Abkühlen schrumpft und dadurch das Element sicher faßt. Mithin ist dies ein Verfahren, das mittels kontrollierter thermischer Schrumpfung der Verbindungshülse zusammen mit der oben genannten Bauweise sicherstellt, daß die Hülse sich nach ihrer Montage nicht am Pfahl entlang bewegen kann, auch wenn im Zusammenhang mit dem Eintreiben des Pfahls Energie absorbiert wird und eventuell die Kunststoffschicht auf den Pfahlelementen unbeabsichtigt schmilzt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt eine starre Verbindung, bei der weder die Materialstärke der Pfahlrohre vermindert wird, wie dies bei Verwendung von Verbindungsmuffen mit Gewinde der Fall ist, noch eine Beschädigung des Korrosionsschutzes zu befürchten ist, wie dies der Fall ist, wenn die Verbindungsstelle geschweißt wird.
• Sobald die Temperatur der Kunststoffschicht absinkt, nachdem die Rohrenden in die Hülse gepreßt worden sind, nimmt die Festigkeit der Schicht zu, und die beiden Rohrabschnitte werden somit sicher miteinander verbunden.
• Ein besonderes Verbindungswerkzeug kann verwendet werden, um die Hülse bezüglich des kunststoffbeschichteten Stahlrohrs, das in die Hülse gepreßt wird, zu zentrieren. Um eine gute Haftung zwischen Hülse und Pfahlelement zu erreichen, kann die Hülse innen mit einem Klebstoff beschichtet werden, dessen Schmelztemperatur etwas über der Temperatur liegt, die erforderlich ist, um die Kunststoffschicht auf den Rohren hochplastisch zu machen, so daß bei Einpressen der Elemente und Erwärmen der Hülse auf eine Temperatur, bei welcher der Klebstoff schmilzt, der Klebstoff die Hülse an der verbleibenden Kunststoffschicht der Rohrabschnitte befestigt, sobald die Verbindungsstelle der Abkühlung überlassen wird. Auf diese Weise kann die Verbindungsstelle auch moderate Zugkräfte aufnehmen.
• Die Erfindung kann auf verschiedene Art und Weise in die Praxis umgesetzt werden, aber beispielshalber wird nachstehend die Herstellung einer erfindungsgemäßen Verbindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt
• Fig. 1 einen Längsschnitt durch zwei Rohrabschnitte und ein Verbindungswerkzeug; und
• Fig. 2 eine Ausführungsform einer Verbindungshülse, die zur Verwendung im Zusammenhang mit der Erfindung geeignet ist.
• Fig. 1 ist ein Schnitt entlang der Mittelachse der Pfahlelemente in der Umgebung der Verbindungsstelle. Die Figur zeigt ein unteres Element 1a, von dem angenommen werden kann, daß es bereits in den Boden getrieben worden ist, um einen Teil eines Gebäudepfahls zu bilden. Das Element umfaßt ein inneres Stahlrohr 2a mit einer äußeren, festen, gegen Korrosion schützenden Beschichtung 3a aus einem thermoplastischen Kunststoff, z.B. vom PVC-Typ. Das Element 1a soll mit einem Element 1b verbunden werden, das in ähnlicher Weise ein Stahlrohr 2b mit einer äußeren Kunststoffbeschichtung 3b aufweist. Die Verbindung wird mit Hilfe einer Verbindungshülse hergestellt, die eine innere Stahlhülse 5 mit einer Kunststoffbeschichtung 6 in einer ähnlichen Ausführung wie die Elemente 1a und 1b aufweist. Der Innendurchmesser der Hülse 5 ist etwas kleiner als der Außendurchmesser der Kunststoffschichten 3a, 3b und etwas größer als der Innendurchmesser dieser Schichten 3a, 3b. Die Verbindung wird mit Hilfe eines Verbindungswerkzeugs 10 hergestellt, welches einstückig einen Oberabschnitt 11 und einen Unterabschnitt 12 besitzt und in Längsrichtung der Elemente 1a und 1b eine beträchtliche Abmessung aufweist. Der Abschnitt 11 weist eine das Element 1b dicht umgebende Bohrung auf, und der Abschnitt 12 weist eine die Verbindungshülse 5 dicht umgebende Bohrung auf. Das Werkzeug 10 kann in geeigneter Weise geteilt sein, z.B. entlang einer Ebene parallel zur Mittelachse der Elemente 1a, 1b. Das Werkzeug kann dann leicht dazu gebracht werden, die jeweiligen Elemente und die Verbindungshülse zu umgeben, ohne daß es notwendig wäre, das Werkzeug über das Ende eines Elements heranzuführen. Am Abschnitt 11, und wahlweise auch am Abschnitt 12, kann das Werkzeug mit elektrischen Heizorganen ausgestattet sein, die eine Einrichtung zu ihrem Anschluß an eine Stromquelle aufweisen.
• Beim Herstellen der Verbindung werden die den Verbindungsflächen 7 benachbarten Endabschnitte der Elemente erhitzt, wodurch das Kunststoffmaterial in den Kunststoffschichten 3a und 3b der Elemente plastisch leicht verformbar wird. Die Rohrenden werden dann in die Verbindungshülse gepreßt, bis sie sich bei 7 treffen. Während dieses Vorgangs ist durch die Endkanten der Verbindungshülse ein Teil der Kunststoffschicht 3a abgeschert oder auf andere Weise entfernt worden, wobei aber eine Kunststoffschicht zwischen der Innenfläche der Hülse 5 und der Außenfläche der Stahlrohre 2a, 2b verbleibt, so daß eine feste Verbindung zwischen der Hülse und den Rohrenden zustandekommt, nachdem der Kunststoff abkühlen konnte.
• Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf das Setzen von Gebäudepfählen ist es zweckmäßig, von fabrikmäßig hergestellten Einheiten auszugehen, die einen Rohrabschnitt und eine erfindungsgemäß daran angebrachte Verbindungshülse beinhalten. Am Pfahleintriebsort selbst ist es dann nur noch erforderlich, die Verbindungshülse und den Endabschnitt des in die Verbindungshülse einzusetzenden Rohres, welches das obere Ende des gerade eingetriebenen Pfahls darstellt, zu erhitzen. Diese Vorgehensweise ist auch bei vielen anderen Anwendungen vorteilhaft.
• Vor dem Einsetzen der Rohrenden in die Verbindungshülse kann diese innen mit einer Lage aus Kleb- oder Kunststoff beschichtet werden, dessen Schmelzpunkt über der Temperatur liegt, bei der die Kunststoffbeschichtung der Rohre plastisch leicht verformbar wird. Nachdem die oben beschriebene Verbindung hergestellt ist, kann die Hülse in einem getrennten Arbeitsgang erhitzt werden, so daß der Schmelzpunkt des Klebstoffs erreicht wird, wodurch der Klebstoff nach seiner Abkühlung eine zuverlässige Verbindungsschicht im Übergang 9 zwischen der Innenfläche der Hülse und der verbleibenden Kunststoffschicht 8 der Rohrenden bildet.
• Es hat sich gezeigt, daß bei dem Verbindungsverfahren ein ausgezeichnetes Ergebnis erzielt wird, wenn die folgenden Schritte unternommen werden. 1.
• Die Abmessung der Verbindungshülse wird im Verhältnis zur Abmessung des Pfahlrohrquerschnitts so gewählt, daß der Spalt zwischen Hülse und Rohrabschnitt 2 mm nicht übersteigt. Auf diese Weise wird die erforderliche Geradlinigkeit und Zugfestigkeit des zusammengesetzten Pfahls sichergestellt. 2.
• Der Spalt zwischen der Verbindungshülse und dem Rohrabschnitt soll nicht weniger als 0,2 mm betragen. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Kunststoff beim Verbindungsprozeß nicht von den Rohren abgestreift wird. 3.
• Die Innenfläche der Verbindungshülse ist an deren Enden angefast. Auf diese Weise wird das die Rohre bedeckende Kunststoffmaterial wirksamer in den oben genannten Spalt zwischen der Hülse und den Rohren gepreßt. 4.
• Der die Rohre bedeckende Kunststoff wird vor dem die Verbindung herstellenden Arbeitsgang auf eine weichrnachende Temperatur oberhalb von 70ºC erhitzt. Auf diese Weise wird eine gute Plastizität des Kunststoffs während des besagten Arbeitsgangs gewährleistet. Jedoch darf die Temperatur des Kunststoffs nicht höher sein als etwa 400ºC, um eine Verkohlung zu vermeiden. 5.
• Die Verbindungshülse wird beim Verbindungs-Arbeitsgang auf über 175ºC erhitzt, zweckmäßig auf über 225ºC und vorzugsweise auf etwa 300ºC. Auf diese Weise schrumpft die Hülse beim späteren Abkühlen beträchtlich und drückt das Verbindungsmaterial zwischen Hülse und Rohr zusammen, so daß eine große Starrheit und Zugfestigkeit des zusammengesetzten Pfahls erzielt wird. Die Hülse sollte nicht auf eine höhere Temperatur als etwa 400ºC erhitzt werden.
• Fig. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel für eine Verbindungshülse, die zur Verwendung im Zusammenhang mit der Erfindung geeignet ist, sowie die zwischen zwei Pfahlelementen erfindungsgemäß hergestellte Verbindung. Wie in Fig. 1, sind die Pfahlelemente mit 1a und 1b und ihre äußere Kunststoffbeschichtung mit 3 bezeichnet. Die Verbindungshülse 15 hat einen Innendurchmesser, der nur soviel größer als der Außendurchmesser der Stahlrohre der Pfahlelemente ist, daß der Ringspalt zwischen Hülse und Rohr eine Breite von 0,2 bis 2 mm besitzt, wodurch sichergestellt wird, daß der zusammengesetzte Pfahl die erforderliche Geradlinigkeit und Zugfestigkeit besitzt - und beibehalten kann - und gleichzeitig das Risiko eines Abstreifens des gesamten Kunststoffmaterials von den Pfahlelementen während der Herstellung der Verbindung vermieden wird. Zu letzterem trägt auch das kennzeichnende Merkmal bei, daß die Endflächen der Verbindungshülse an der Innenseite abgeschrägt sind und dadurch einen kegeligen Abschnitt bilden, der mithilft, daß das Kunststoffmaterial 3 leichter in den Spalt zwischen der Hülse und den Stahlrohren der Pfahlelemente hineingepreßt und in dem Spalt zusammengedrückt wird.
• Gemäß den vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung wird die Verbindung hergestellt, indem die Verbindungshülse vor Einführung der Rohrenden in die Hülse auf wenigstens 175ºC, zweckmäßig auf wenigstens 225ºC und vorzugsweise auf etwa 300ºC erhitzt wird, wodurch das Kunststoffmaterial im Spalt zwischen der Hülse und den Stahlrohren der Pfahlelemente erheblich zusammengedrückt wird, sobald sich die Hülse abgekühlt hat, und die Hülse erreicht dadurch eine sehr hohe Starrheit und Zugfestigkeit.
• Die Erfindung ist nicht auf das beschränkt, was oben im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels beschrieben wurde. Zum Beispiel sind die erfindungsgemäße Methode und Verbindungshülse auch zum Verbinden anderer Rohrelemente als Pfahlelementen einsetzbar, auch wenn die Erfindung hauptsächlich für das Zusammensetzen von Pfahlelementen gedacht ist.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten Stahlrohrs, welches außen mit einem thermoplastischen Kunststoff beschichtet ist, wobei einander benachbarte Rohrabschnitte mittels einer Verbindungshülse miteinander verbunden werden und gemäß dem Verfahren die Verbindungshülse und die Kunststoffbeschichtung der Rohrabschnitte derart erhitzt werden, daß ein plastisch leicht verformbarer Zustand des Kunststoffs gewährleistet ist, wonach die Enden der Rohrabschnitte in die Verbindungshülse gepreßt werden, während das erhitzte Kunststoffmaterial am Außenumfang der Rohrabschnitte verdrängt wird, wobei ein Innendurchmesser der Verbindungshülse etwas kleiner als der Außendurchmesser der Kunststoffbeschichtung der Rohrabschnitte ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbindungshülse zumindest auf 175 ºC erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbindungshülse zumindest auf 225 ºC erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbindungshülse zumindest auf 300 ºC erhitzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Innendurchmesser der Hülse im Vergleich zu dem Außendurchmesser der Stahlrohrabschnitte derart gewählt wurde, daß ein Ringspalt mit einer Breite zwischen 0,2 und 2 mm zwischen der Hülse und den Stahlrohrabschnitten ausgebildet wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das auf den Rohrabschnitten befindliche Kunststoffmaterial mindestens auf etwa 75 ºC erhitzt wird, bevor die Enden der Rohrabschnitte in die Hülse eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Enden der miteinander zu verbindenden Rohrabschnitte in die Hülse nacheinander wie folgt eingesetzt werden: ein erstes Rohrabschnittende und die Hülse werden erhitzt; das erste Rohrabschnittende wird in die Hülse eingesetzt; das erste Rohrabschnittende und die Hülse kehren zur normalen Temperatur zurück; das erste Rohrabschnittende, die Hülse und das zweite Rohrabschnittende werden erhitzt; und das zweite Rohrabschnittende wird in die Hülse eingesetzt.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hülse zumindest an einem ihrer Enden mit einer inneren Fase versehen ist.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hülse mit einer äußeren Kunststoffbeschichtung versehen ist.

10. Verfahren zum Eintreiben von Pfählen, wobei ein erster Stahlrohrabschnitt mit einer äußeren Kunststoffbeschichtung eingetrieben wird und mit einem zweiten Stahlrohrabschnitt verbunden wird, welcher mit einer äußeren Kunststoffbeschichtung versehen ist, und die miteinander verbundenen Rohrabschnitte erster Rohrabschnitt und zweiter Rohrabschnitt gemeinsam eingetrieben werden, wobei die Verbindung durch ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt wird.