WO2011157850A2 - Verbesserter zuganker aus faserverstärktem kunststoff - Google Patents

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WO2011157850A2
WO2011157850A2 PCT/EP2011/060244 EP2011060244W WO2011157850A2 WO 2011157850 A2 WO2011157850 A2 WO 2011157850A2 EP 2011060244 W EP2011060244 W EP 2011060244W WO 2011157850 A2 WO2011157850 A2 WO 2011157850A2
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tie rod
rod
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PCT/EP2011/060244
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Inventor
Kenichi Tsukamoto
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Firep Rebar Technology Gmbh
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D21/00—Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection
    • E21D21/0006—Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection characterised by the bolt material
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D21/00—Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection
    • E21D21/008—Anchoring or tensioning means

Definitions

  • the present invention relates to a fiber reinforced plastic, in particular fiberglass-reinforced plastic (GRP) existing tie rods according to the preamble of claim 1, and a tie rod set according to the preamble of claim 12.
  • GRP fiberglass-reinforced plastic
  • tie rods are predominantly as rock anchors in the underground tunnels of mining, z. B. in hard coal mines. Due to the space there usually very cramped conditions rock anchors are offset as adhesive anchors in rotary boreholes produced. These are mainly used during the tunneling work for the temporary securing of working face, parts of the ridges and in particular for securing the joints and there in the area of the mineral / coal seam, so as not to hinder the subsequent, mechanical propulsion or dismantling, in which the anchors pass through Routing away gradually. Furthermore, such tie rods can also be used as the final anchorage on rebars for concrete applications to minimize composite lengths.
  • a lock nut to be mounted on the load-remote side of such an end anchorage or on the anchor plate may be required, which ensures a slip-free end anchorage even with thrust / compression loads with a corresponding counter-torque.
  • tie rods are known, for example, from DE 198 28 371 A1, to which reference is made for further details, in particular also for use and for the manufacture of tie rods.
  • DE 37 41 066 C1 a resilient material displaceable holding device for a rock anchor is known, in which a tube surrounds the free end of the armature and is clamped by means of a screwed onto the free end of the armature clamping nut with him.
  • a profile ring is arranged, which is frontally supported by a contact plate against the track wall, the profile ring engages in the other side with cutting in the surface of the tube.
  • a high-tensile and corrosion-resistant tie rod of the type mentioned is known from DE 299 00 172 U1.
  • the anchor nut lies by means of a curved end face against a curved support surface of the anchor plate which is adapted to it, so that an angle compensation of the anchor axis to the rock surface can take place.
  • tie-bolt connections can already be achieved with such systems, the strength values are still lower than those of comparable steel armature systems with identical stress cross-sections.
  • a further increase in the strength of the tie rod is desirable in order to ensure a sufficiently high and at the same time early-acting expansion resistance.
  • Object of the present invention is to provide an inexpensive to manufacture and easy to handle tie rods of the type mentioned in fiber-reinforced plastic, which achieves increased load capacity and higher strength values even when subsidence of the subsurface.
  • a tie rod set is to be provided with such a tie rod.
  • the Ankernnutter engages in a through hole of a preferably made of fiber reinforced plastic seat ring, wherein the anchor nut has on the outside a conical portion with which it rests against a complementary inner cone of the seat ring, and wherein in the cone-shaped portion of Anchor nut at least one preferably axially parallel slot is provided which interrupts the nut wall in the circumferential direction over at least a portion of the cone-shaped portion, and that the cooperating with the curved contact surface of the anchor plate complementary contact surface is formed on the seat ring.
  • the main advantage lies in the fact that due to the slotted design of the anchor nut and thereby allowing the insertion of the anchor nut in the seat ring compression of the nut thread inwardly a wesentl I stronger hold the on kermutter on the kergewi hands of the anchor rod is achieved. Even if, in the near-surface mountain body settling phenomena occur, the present invention of anchor nut, seat ring and anchor plate existing anchor head is further compressed and the seat ring continues to slide on the cone of the mother. The load capacity of the entire anchor head construction increases so significantly that workloads are achieved that are comparable to those of steel anchor system with identical voltage cross-section.
  • This effect according to the invention in which the full anchor head effect of the rock bolt system can be achieved in two stages, namely on the one hand by active setting of the tie rod and on the other hand, by passive self-tensioning due to convergence in settlement phenomena of the mountains under almost any installation situation, allows a simple, fast and thus inexpensive anchorage.
  • These advantages can be achieved in both temporary and permanent anchors, since depending on the choice of fiber material and the matrix resin and a long-term ig resistance is given immediately and high operating loads are provided.
  • One advantage is that in case of overload (comparable to the material properties in the high plasticizing range of comparable steel anchor systems), the anchor head does not abruptly break off due to the lower moduli of elasticity of the composite and the resulting elasticities, but is slowly stripped off.
  • the construction is relatively simple, so that the tie rod according to the invention is inexpensive to produce.
  • the outer cone of the anchor nut is designed to be self-clamping in the inner cone of the seat ring. As a result, the high load capacity remain permanently secured.
  • the slotted cone segment of the anchor nut is compressed during the tension of the tie rod by penetrating into the inner cone of the seat ring inwardly so that the radial thread play between the anchor rod and the anchor nut is reduced. In this way, increased strength values of the armature shaft are also achieved at the anchor head.
  • the slotted cone segment of the anchor nut when tightening the tie rod by the inner cone of the seat ring are thereby compressed so far inward that the radial thread clearance between the anchor rod and the anchor nut is at least almost completely eliminated.
  • the slotted cone segment of the anchor nut can be compressed inwardly by the inner cone of the seat ring so that not only the radial thread clearance but also the axial thread play between the anchor rod and the anchor nut is completely eliminated.
  • a friction-reducing insert in particular a nylon insert may be arranged at the contact surfaces of the Konusproung between the anchor nut and the seat ring.
  • a correspondingly shaped GRP locknut To ensure a permanently high load capacity can be braced instead of a self-locking of the outer cone of the anchor nut in the inner cone of the seat ring on the opposite side of the plate, a correspondingly shaped GRP locknut.
  • a structurally particularly simple and axially small-sized embodiment can be achieved in that the contact surface of the anchor plate is concave, while the complementary contact surface of the seat ring is convex.
  • the possibility for angular compensation of the armature axis to the rock surface but also given in a reverse embodiment in which the contact surface of the anchor plate is convex and the complementary contact surface of the seat ring is concave.
  • the contact surface of the anchor plate and the complementary contact surface of the seat ring are curved spherical or spherical surface.
  • the angle compensation between the anchor axis and the rock surface can be done particularly easily in all directions. It is advantageous if the anchor hole bore of the anchor plate is extended on the side facing away from the Ankernnutter side truncated cone to facilitate the inclination of the anchor rod to the anchor plate at the angle compensation.
  • the strength of the anchor plate can be increased by the fact that the anchor hole bore of the anchor plate is enlarged slot-like in a radial direction on the side facing away from the anchor nut side. In this direction, then a greater inclination of the anchor rod is possible than in the other directions, where instead of more material is available on the anchor plate. By twisting the anchor plate, the direction of the greatest inclination can be adjusted.
  • the tie rod is designed as a rock bolt, in particular as a rock bolt for underground tunnels of mining, for example in hard coal mines.
  • the subject of the present invention is also an anchor set comprising at least one anchor rod, at least one anchor nut, at least one anchor plate and at least one seat ring of the type described above, wherein these components of the tie rod set each consist of fiber-reinforced plastic.
  • Figure 1 cross-section through a tie rod according to the invention in a deflected angular position
  • Figure 2 tie rod of Figure 1 in set condition
  • Figure 3 cross-section through a tie rod according to the invention in a non-deflected position
  • Figure 4 tie rod of Figure 3 in the set state
  • Figure 5 cross section through the seat ring of the tie rods of Figures 1 -4;
  • Figure 6 side view of the anchor nut of the tie rods of Figures 1 -4;
  • FIG. 7 end view of the anchor nut from FIG. 6.
  • Figure 1 shows an embodiment of a rock anchor 1 according to the invention, which consists entirely of fiber composite material. It consists of the following four elements: anchor rod 2, anchor nut 3, seat ring 4 and anchor plate 5.
  • the anchor rod 2 consists here of at least 75% by weight of fibers (rovings) with high strength and high chemical resistance and at most 25% by weight of matrix resin, which may be polyester, vinyl ester or epoxy depending on the application conditions. As fibers, in particular glass fibers can be used.
  • the anchor rod 2 is produced in a modified pultrusion process, in which the outer fibers in the process and before hardening of the matrix resin from unidirectional arrangement are converted to wave segment-like course, whereby without fiber interruption, a coarse rib profile is formed, which forms a durable divetragangees thread 6 by its special geometry ,
  • the anchor nut 3, the seat ring 4 and the anchor plate 5 consist in each case at least 60% by weight of fibers with high strength and high chemical resistance and at most 40% by weight of matrix resin, depending on the conditions of use polyester, vinyl ester or epoxy resin can be. Also for this purpose can be used as fibers preferably glass fibers.
  • the anchor nut 3, the seat ring 4 and the anchor plate 5 each made in a modified molding process in which the fibers are used as scrim / fabric in combination with short and long fibers and rovings.
  • the anchor nut 3 has at the front end via an external hexagon 7 for mounting and preloading, and at the rear end via an outer cone 8, which is designed self-clamping and has an axially parallel aligned slot 9 here.
  • the conical region 8 can also be divided into several segments by a plurality of slots, for example by parallel slots or double slots.
  • the anchor nut 3 can be easily screwed onto the anchor rod initially with little play, whereas later in radial compression or clamping the internal thread 10 of the anchor nut 3 play and slip-free on the thread 6 of Anchor rods 2 is determined.
  • the seat ring 4 has a through hole 21, the wall of which forms an inner cone 1 1 for receiving the outer cone 8 and thus for biasing the anchor nut 3.
  • the seat ring 4 has a dome-shaped "seat", which forms a convex, spherical contact surface 12, by means of which an angular compensation of the longitudinal axis 20 of the rock anchor 1 to the rock surface 19 is made possible.
  • the anchor plate 5 has on the outside, ie on the side facing away from the rock, via a central, here truncated cone-shaped elevation 13, in which a (dome-shaped) recess is introduced, which forms a concave, spherically curved contact surface 14 which against the contact surface 12th is adjusted.
  • This recess has centered on the bore 15 for the anchor rod 2.
  • this anchor hole bore 15 is truncated cone in the exit direction so that the assembly of anchor nut 3, seat ring 4 and anchor plate 5 penetrating anchor rod 2 is applicable under various borehole angles.
  • the entire three-part anchor head which consists of the anchor nut 3, the seat ring 4 and the anchor plate 5, pre-assembled on the anchor end 16 and the anchor rock 1 then preferably filled with adhesive cartridges 17 hole 18.
  • the anchor nut 3 after curing of the resin initially attracted conventionally by means of torque and the rock anchor 1 so over the three-piece anchor head 3, 4, 5 are tense.
  • this end runs with the cone 8 in the setting ring 4, wherein both the jacket friction of the nut cone 8 in the setting ring 4 and the friction of other GFK Ankerkopfbauer exclude too high a torsional load. Nevertheless, a tensioning on at least 40% of the breaking load of the rock anchor 1 is possible.
  • the Konusparung for a corresponding requirements with a lubricant / lubricant, coating or the like can be significantly reduced if higher active set loads are required.
  • the anchor plate 5 and the seat ring 4 is pressed firmly against the rock surface 19 by the anchor nut 3 and brought into abutment, without overloading the construction punctually, which is why some angular adjustment between the anchor axis 20 and rock surface 19 by the convex-concave fit is required.
  • the conical segment 8 of the anchor nut 3 is compressed radially due to the slits 9, whereby the radial thread play is already canceled now at least almost vol lig ig ig, which leads to egg ner Verkl em m the anchor nut 3 in the seat ring 4.
  • the nut thread 10 prevents due to the positive connection an axial movement of the anchor nut. 3
  • the anchor head 3, 4, 5 can also be retrofitted or exchanged against a conventional len kerkopf, as long as expected Nachkonvergengenzen allow subsequent self-tensioning. Otherwise, with correspondingly high torques from the anchor drilling and setting device (ABS), the final tension and immediate high load can be achieved directly. Due to these variants, the anchor system can also be used as an effective extension in tunnel structures outside of mining applications according to N ⁇ T / NATM (New Austrian Tunneling Method / New Austrian Tunneling Method) and at the same time as preliminary and final expansion, for example in single-shell structures.
  • N ⁇ T / NATM New Austrian Tunneling Method / New Austrian Tunneling Method

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zuganker (1) aus faserverstärktem Kunststoff, umfassend einen aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Ankerstab (2), der zumindest auf einem Teilbereich ein Ankergewinde (6) aufweist, eine aus faserverstärktem Kunststoff bestehende Ankerplatte (5) mit einer Ankerlochbohrung (15), durch die der Ankerstab (2) hindurchgeführt ist, und eine aus faserverstärktem Kunststoff bestehende Ankermutter (3) mit einem Innengewinde, die auf das Ankergewinde (6) des Ankerstabs (2) aufschraubbar und gegen die Ankerplatte (5) abstützbar ist, wobei die Ankerplatte (5) mit einer gewölbten Anlagefläche (14) versehen ist, die mit einer der Ankermutter (3) zugeordneten komplementären Kontaktfläche (12) derart zusammenwirkt, dass der Ankerstab (2) in mindestens einer Richtung um einen Winkel (a) schräg zur Ankerplatte (5) kippbar ist, wobei die Ankermutter (3) in eine Durchgangsbohrung (21) eines vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Sitzrings (4) eingreift, wobei die Ankermutter (3) außenseitig einen konusformigen Bereich (8) aufweist, mit dem sie an einem komplementären Innenkonus (11) des Sitzrings (4) anliegt, wobei in dem konusformigen Bereich (8) der Ankermutter (3) mindestens ein vorzugsweise achsparallel verlaufender Schlitz (9) vorgesehen ist, der die Mutterwandung zumindest über einen Teilbereich des konusformigen Bereichs (8) unterbricht, und wobei die mit der gewölbten Anlagefläche (14) der Ankerplatte (5) zusammenwirkende komplementäre Kontaktfläche (12) an dem Sitzring (4) ausgebildet ist.

Description

Verbesserter Zuganker aus faserverstärktem Kunststoff
Die vorliegende Erfindung betrifft einen aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus Glasfaser-verstärktem Kunststoff (GFK) bestehenden Zuganker nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , sowie ein Zuganker-Set nach dem Oberbegriff von Anspruch 12.
Die Anwendung derartiger Zuganker erfolgt überwiegend als Felsanker in den untertägigen Tunnelstrecken des Bergbaus, z. B. in Steinkohlebergwerken. Aufgrund der dort räumlich meist sehr beengten Verhältnisse werden Felsanker als Klebeanker in drehbohrend hergestellten Bohrlöchern versetzt. Diese werden überwiegend während der Vortriebsarbeiten zur temporären Sicherung von Ortsbrust, von Teilen der Firste und insbesondere zur Sicherung der Stöße und dort im Bereich des Minerals / Kohleflözes verwendet, um den späteren, maschinellen Vortrieb bzw. Abbau nicht zu behindern, bei dem die Anker durch Wegfräsen schrittweise entfernt werden . Des weiteren können derartige Zuganker auch als Endverankerung auf Bewehrungsstäben für Anwendungen in Beton zur Minimierung von Verbundlängen eingesetzt werden. Dazu kann eine auf der lastabgewandten Seite einer solchen Endverankerung bzw. auf der Ankerplatte zu montierende Kontermutter erforderlich werden, die mit entsprechendem Kontermoment eine schlupffreie Endverankerung auch bei Schub-/Druckbelastungen sicherstellt.
Derartige Zuganker sind beispielsweise aus der DE 198 28 371 A1 bekannt, auf die für weitere Einzelheiten, insbesondere auch zum Einsatz und zur Herstellung der Zuganker, verwiesen wird. Aus der DE 37 41 066 C1 ist eine nachgiebige werkstoffverdrängende Halteeinrichtung für einen Gebirgsanker bekannt, bei der ein Rohr das freie Ende des Ankers umschließt und mittels einer auf das freie Ende des Ankers aufgeschraubten Spannmutter mit ihm verspannt ist. Am bergseitigen Ende des Rohres ist ein Profilring angeordnet, der sich stirnseitig über eine Anlageplatte gegen d ie Streckenwand abstützt, wobei der Profil ring in nenseitig mit Schneiden in die Oberfläche des Rohres eingreift.
Ein hochzugfester und korrosionsbeständiger Zuganker der eingangs genannten Art ist aus der DE 299 00 172 U1 bekannt. Die Ankermutter liegt dabei mittels einer gewölbten Stirnseite an einer daran angepasst gewölbten Auflagefläche der Ankerplatte an, so dass ein Winkelausgleich der Ankerachse zur Felsoberfläche erfolgen kann.
Obwohl mit derartigen Systemen bereits relativ feste Zugankerverbindungen erzielt werden können, bleiben die Festigkeitswerte noch hinter denen von vergleichbaren Stahlankersystemen mit identischem Spannungsquerschnitt zurück. Insbesondere wenn es durch Konvergenzen im oberflächennahen Gebirgskörper zu Setzerscheinungen kommen kann ist eine weitere Steigerung der Festigkeit des Zugankers erstrebenswert, um ausreichend hohen und zugleich frühtragend wirkenden Ausbauwiderstand zu gewährleisten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen preiswert herzustellenden und leicht handhabbaren Zuganker der eingangs genannten Art aus faserverstärktem Kunststoff zu schaffen , der auch bei Setzerscheinungen des Untergrunds eine erhöhte Tragfähigkeit und höhere Festigkeitswerte erreicht. Außerdem soll ein Zuganker-Set mit einem derartigen Zuganker bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zuganker nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass die Ankernnutter in eine Durchgangsbohrung eines vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Sitzrings eingreift, wobei die Ankermutter außenseitig einen konusförmigen Bereich aufweist, mit dem sie an einem komplementären Innenkonus des Sitzrings anliegt, und wobei in dem konusförmigen Bereich der Ankermutter mindestens ein vorzugsweise achsparallel verlaufender Schlitz vorgesehen ist, der die Mutterwandung in Umfangsrichtung zumindest über einen Teilbereich des konusförmigen Bereichs unterbricht, und dass die mit der gewölbten Anlagefläche der Ankerplatte zusammenwirkende komplementäre Kontaktfläche an dem Sitzring ausgebildet ist.
Der Hauptvorteil liegt dabei darin, dass aufgrund der geschlitzten Ausführung der Ankermutter und des hierdurch beim Einbringen der Ankermutter in den Sitzring ermöglichten Zusammendrückens des Muttergewindes nach innen ein wesentl ich festerer Halt der An kermutter auf dem An kergewi nde des Ankerstabs erzielt wird. Gerade auch dann, wenn im oberflächennahen Gebirgskörper Setzerscheinungen auftreten, wird der erfindungsgemäß aus Ankermutter, Sitzring und Ankerplatte bestehende Ankerkopf weiter zusammengepresst und der Sitzring gleitet weiter auf den Konus der Mutter auf. Dabei erhöht sich die Traglast der gesamten Ankerkopfkonstruktion so erheblich, dass Arbeitslasten erreicht werden, die mit denen von Stahlankersystem mit identischem Spannungsquerschnitt vergleichbar sind.
Dieser erfindungsgemäße Effekt, bei dem die volle Ankerkopfwirkung des Felsankersystems in zwei Stufen, nämlich einerseits durch aktives Setzen des Zugankers und andererseits durch folgendes, passives Selbstverspannen infolge Konvergenzen bei Setzungserscheinungen des Gebirges unter nahezu beliebigen Einbausituationen erzielt werden kann, ermöglicht eine einfache, schnelle und somit kostengünstige Ankerung. Dabei können diese Vorteile sowohl bei temporären als auch bei permanenten Ankerungen erreicht werden, da je nach Wahl des Faser-Materials und des Matrixharzes auch eine Langzeitbeständ ig keit sofort gegeben ist und hohe Gebrauchslasten bereitgestellt werden. Ein Vorteil besteht darin, dass bei Überlastung (vergleichbar den Materialeigenschaften im hohen Plastifizierungsbereich von vergleichbaren Stahlankersystemen) der Ankerkopf aufgrund der geringeren E-Moduln des Komposits und den resultierenden Elastizitäten nicht schlagartig abreißt, sondern langsam abgestreift wird.
Auch die Konstruktion ist relativ einfach, so dass der erfindungsgemäße Zuganker kostengünstig herstellbar ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Außenkonus der Ankermutter im Innenkonus des Sitzrings selbstklemmend ausgebildet ist. Hierdurch kann die hohe Tragfähigkeit dauerhaft gesichert erhalten bleiben.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn das geschlitzte Konussegment der Ankermutter beim Anspannen des Zugankers durch Eindringen in den Innenkonus des Sitzrings derart nach innen zusammengedrückt wird, dass das radiale Gewindespiel zwischen dem Ankerstab und der Ankermutter verringert wird. Auf diese Weise werden erhöhte Festigkeitswerte des Ankerschaftes auch am Ankerkopf erzielt.
Vorzugsweise kann das geschlitzte Konussegment der Ankermutter beim Anspannen des Zugankers durch den Innenkonus des Sitzrings dabei soweit nach innen zusammengedrückt werden, dass das radiale Gewindespiel zwischen dem Ankerstab und der Ankermutter zumindest nahezu vollständig aufgehoben ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das geschlitzte Konussegment der Ankermutter durch den Innenkonus des Sitzrings soweit nach innen zusammengedrückt werden kann, dass nicht nur das radiale Gewindespiel, sondern auch das axiale Gewindespiel zwischen dem Ankerstab und der Ankermutter vollständig aufgehoben ist. Hierdurch können einerseits maximale Traglasten und Festigkeitswerte des Ankersystems und andererseits schlupffreie Festlegungen z.B. auch von Bewehrungsstäben in Betonanwendungen erzielt werden. Bei der Verwendung als Endverankerung als Teil der Bewehrung im Beton kann durch Erstaufl astung bereits während des Einbaus der Bewehrung und vor dem Betonieren eine Voreinstellung auf ein erhöhtes Lastniveau erreicht werden.
Von Vorteil kann es sein, wenn mindestens eine der Kontaktflächen der Konuspaarung zwischen der Ankermutter und dem Sitzring mit einer reibungsreduzierenden Beschichtung versehen ist.
Alternativ dazu kann an den Kontaktflächen der Konuspaarung zwischen der Ankermutter und dem Sitzring auch ein reibungsreduzierender Einsatz, insbesondere ein Nyloneinsatz angeordnet sein.
Zur Sicherstellung einer dauerhaft hohen Tragfähigkeit kann dabei anstelle einer Selbsthemmung des Außenkonus der Ankermutter im Innenkonus des Sitzrings auch auf der gegenüberliegenden Seite der Platte eine entsprechend geformte GFK-Kontermutter verspannt werden.
Eine konstruktiv besonders einfache und axial kleinbauende Ausführungsform kann dadurch erreicht werden, dass die Anlagefläche der Ankerplatte konkav gewölbt ist, während die komplementäre Kontaktfläche des Sitzrings konvex gewölbt ist. Grundsätzlich ist die Möglichkeit zum Winkelausgleich der Ankerachse zur Felsoberfläche aber auch bei einer umgekehrten Ausführungsform gegeben, bei der die Anlagefläche der Ankerplatte konvex gewölbt und die komplementäre Kontaktfläche des Sitzrings konkav gewölbt ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anlagefläche der Ankerplatte und die komplementäre Kontaktfläche des Sitzrings sphärisch bzw. kugeloberflächenförmig gewölbt sind. Auf diese Weise kann der Winkelausgleich zwischen der Ankerachse und der Felsoberfläche besonders leicht in alle Richtungen erfolgen. Günstig ist es dabei, wenn die Ankerlochbohrung der Ankerplatte auf der von der Ankernnutter abgewandten Seite kegelstumpfartig erweitert ist, um die Neigung des Ankerstabs zur Ankerplatte beim Winkelausgleich zu erleichtern.
Die Festigkeit der Ankerplatte kann dadurch gesteigert werden, dass die Ankerlochbohrung der Ankerplatte auf der von der Ankermutter abgewandten Seite in einer radialen Richtung langlochartig vergrößert ist. In dieser Richtung ist dann eine größere Neigung des Ankerstabs möglich als in den anderen Richtungen, wo statt dessen mehr Material an der Ankerplatte zur Verfügung steht. Durch eine Verdrehung der Ankerplatte kann die Richtung der größten Neigung angepasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Zuganker als Felsanker, insbesondere als Felsanker für untertägige Tunnelstrecken des Bergbaus, beispielsweise in Steinkohlebergwerken, ausgebildet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Anker-Set, das mindestens einen Ankerstab, mindestens eine Ankermutter, mindestens eine Ankerplatte und mindestens einen Sitzring der voranstehend beschriebenen Art umfasst, wobei diese Komponenten des Zuganker-Sets jeweils aus faserverstärktem Kunststoff bestehen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend en Besch re i bu ng u nd den in d en Ze ich n u ngen da rgestel lten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Figur 1 : Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zuganker in einer ausgelenkten Winkelstellung;
Figur 2: Zuganker aus Figur 1 in gesetztem Zustand;
Figur 3: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zuganker in einer nicht ausgelenkten Stellung; Figur 4: Zuganker aus Figur 3 in gesetztem Zustand;
Figur 5: Querschnitt durch den Sitzring der Zuganker aus den Figuren 1 -4;
Figur 6: Seitenansicht der Ankermutter der Zuganker aus den Figuren 1 -4;
und
Figur 7: Stirnansicht der Ankermutter aus Figur 6.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Felsankers 1 , der vollständig aus Faserverbundwerkstoff besteht. Er besteht aus den folgenden vier Elementen: Ankerstab 2, Ankermutter 3, Sitzring 4 und Ankerplatte 5.
Der Ankerstab 2 besteht hier zu mindestens 75 Gewichts-% aus Fasern (Rovings) mit hoher Festigkeit und hoher chemischer Widerstandsfähigkeit und zu höchstens 25 Gewichts-% aus Matrixharz, das je nach Einsatzbedingungen Polyester-, Vinylester- oder Epoxydharz sein kann . Als Fasern können insbesondere Glasfasern eingesetzt werden. Der Ankerstab 2 wird in einem modifizierten Pultrusionsverfahren hergestellt, bei dem die äußeren Fasern im Prozess und vor Aushärten des Matrixharzes aus unidirektionaler Anordnung umgerichtet werden zu wellensegmentartigem Verlauf, wodurch ohne Faserunterbrechung ein grobes Rippenprofil entsteht, welches durch seine besondere Geometrie ein dauerhaft hochtragfähiges Gewinde 6 bildet.
Die Ankermutter 3, der Sitzring 4 sowie die Ankerplatte 5 bestehen hier jeweils zu mindestens 60 Gewichts-% aus Fasern mit hoher Festigkeit und hoher chemischer Widerstandsfähigkeit und zu höchstens 40 Gewichts-% a u s Matrixharz, das je nach Einsatzbedingungen Polyester-, Vinylester- oder Epoxydharz sein kann. Auch hierfür können als Fasern vorzugsweise Glasfasern verwendet werden. Dabei werden die Ankermutter 3, der Sitzring 4 sowie die Ankerplatte 5 jeweils in einem modifizierten Moulding-Verfahren hergestellt, bei dem die Fasern als Gelege/Gewebe in Kombination mit Kurz- und Langfasern sowie Rovings verwendet werden.
Die Ankermutter 3 verfügt am vorderen Ende über einen Außensechskant 7 zur Montage und Vorspannung, und am hinteren Ende über einen Außenkonus 8, der selbstklemmend ausgeführt ist und einen hier achsparallel ausgerichteten Schlitz 9 aufweist. Anstelle der hier gezeigten Ausführungsvariante mit nur einem Schlitz kann der konische Bereich 8 auch durch mehrere Schlitze, beispielsweise durch Parallelschlitze oder Doppelschlitze in mehrere Segmente unterteilt werden. Über ein dem wellenartigen Sondergewindeprofil 6 des Ankerstabs 2 angepasstes Innengewinde 10 kann die Ankermutter 3 zunächst bei geringem Spiel leicht auf den Ankerstab aufgeschraubt werden, wohingegen später bei radialer Pressung bzw. Klemmung das Innengewinde 10 der Ankermutter 3 spiel- und schlupffrei auf dem Gewinde 6 des Ankerstabs 2 festgelegt wird.
Der Sitzring 4 verfügt über eine Durchgangsbohrung 21 , deren Wandung einen Innenkonus 1 1 zur Aufnahme des Außenkonus 8 und somit zur Vorspannung der Ankermutter 3 bildet. An dem der Ankerplatte 5 zugewandten Ende weist der Sitzring 4 einen kalottenartigen „Sitz" auf, der eine konvexe, sphärische Kontaktfläche 12 bildet, vermittels der ein Winkelausgleich der Längsachse 20 des Felsankers 1 zur Felsoberfläche 19 ermöglicht wird.
Die Ankerplatte 5 verfügt außen, also an der von dem Fels abgewandeten Seite, über eine zentrische, hier kegelstumpfartig ausgebildete Erhöhung 13, in welche eine (kalottenartige) Ausnehmung eingebracht ist, die eine konkave, sphärisch gewölbten Anlagefläche 14 bildet, welche an die Kontaktfläche 12 angepasst ist. Diese Ausnehmung weist zentriert die Bohrung 15 für den Ankerstab 2 auf. An der Rückseite, also an der dem Fels zugewandten Seite, ist diese Ankerlochbohrung 15 kegelstumpfartig in Austrittsrichtung so aufgeweitet, dass der die Zusammenstellung von Ankermutter 3, Sitzring 4 und Ankerplatte 5 durchdringende Ankerstab 2 unter diversen Bohrlochwinkeln anwendbar ist. Bei der Montage des einzelnen Felsankers 1 wird der gesamte dreiteilige Ankerkopf, der aus der Ankermutter 3, dem Sitzring 4 und der Ankerplatte 5 besteht, auf dem Ankerschaftende 16 vormontiert und der Felsanker 1 dann im vorzugsweise mit Klebepatronen 17 gefüllten Bohrloch 18 versetzt. Dabei kann die Ankermutter 3 nach Härten des Kunstharzes zunächst konventionell mittels Drehmoment angezogen und der Felsanker 1 so über den dreiteiligen Ankerkopf 3, 4, 5 angespannt werden. Beim Anziehen der Ankermutter 3 läuft diese endseitig mit dem Konus 8 in den Setzring 4, wobei sowohl die Mantelreibung des Mutternkonus 8 im Setzring 4 als auch die Reibung der anderen GFK-Ankerkopfbauteile untereinander eine zu hohe Torsionsbelastung ausschließen. Dennoch ist ein Anspannen auf mindestens 40 % der Bruchlast des Felsankers 1 möglich. In einer Variante kann andererseits für entsprechende Anforderungen die Konuspaarung auch mit einem Gleit-/Schmiermittel, Coating oder dergleichen erheblich reduziert werden, wenn höhere aktive Setzlasten erforderlich werden.
Bei diesem Vorgang wird die Ankerplatte 5 und der Sitzring 4 durch die Ankermutter 3 fest gegen die Felsoberfläche 19 gedrückt und zur Anlage gebracht, ohne die Konstruktion punktuell zu überlasten, weshalb eine gewisse Winkelanpassung zwischen der Ankerachse 20 und Gebirgsoberfläche 19 durch die konvex-konkave Passform erforderlich ist.
Das Konussegment 8 der Ankermutter 3 wird aufgrund der Schlitzung 9 radial zusammengedrückt, wodurch das radiale Gewindespiel bereits jetzt zumindest nahezu vol lständ ig aufgehoben wird , was zu ei ner Verkl em m ung der Ankermutter 3 im Sitzring 4 führt. Das Mutterngewinde 10 verhindert dabei aufgrund des Formschlusses eine axiale Bewegung der Ankermutter 3.
Vorteilhafterweise kann der Ankerkopf 3, 4, 5 auch nachträglich montiert oder gegen einen konventionel len An kerkopf getauscht werden , solange zu erwartende Folgekonvergenzen ein nachträgliches Selbstverspannen ermöglichen. Ansonsten kann mit entsprechend hohen Drehmomenten seitens der Ankerbohr- und Setzvorrichtung (ABS) die endgültige Verspannung und sofortige hohe Traglast auch direkt erzielt werden. Durch diese Varianten ist das Ankersystem auch als effektiver Ausbau in Tunnelbauwerken außerhalb von Bergbauanwendungen gemäß NÖT / NATM (Neue Österreichische Tunnelbauweise / New Austrian Tunnelling Method) anwendbar und zudem gleichzeitig als vorläufiger und endgültiger Ausbau geeignet, beispielsweise in einschalig herzustellenden Bauwerken.

Claims

Ansprüche
1. Zuganker (1) aus faserverstärktem Kunststoff, umfassend
- einen aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Ankerstab (2), der zumindest auf einem Teilbereich ein Ankergewinde (6) aufweist,
- eine aus faserverstärktem Kunststoff bestehende Ankerplatte (5) mit einer Ankerlochbohrung (15), durch die der Ankerstab (2) hindurchgeführt ist, und
- eine aus faserverstärktem Kunststoff bestehende Ankermutter (3) mit einem Innengewinde, die auf das Ankergewinde (6) des Ankerstabs (2) aufschraubbar und gegen die Ankerplatte (5) abstützbar ist, wobei die Ankerplatte (5) mit einer gewölbten Anlagefläche (14) versehen ist, die mit einer der Ankermutter (3) zugeordneten komplementären Kontaktfläche (12) derart zusammenwirkt, dass der Ankerstab (2) in mindestens einer Richtung um einen Winkel (a) schräg zur Ankerplatte (5) kippbar ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Ankermutter (3) in eine Durchgangsbohrung (21) eines vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Sitzrings (4) eingreift,
wobei die Ankermutter (3) außenseitig einen konusformigen Bereich (8) aufweist, mit dem sie an einem komplementären Innenkonus (11) des Sitzrings (4) anliegt,
und wobei in dem konusformigen Bereich (8) der Ankermutter (3) mindestens ein vorzugsweise achsparallel verlaufender Schlitz (9) vorgesehen ist, der die Mutterwandung zumindest über einen Teilbereich des konusformigen Bereichs (8) unterbricht,
und dass die mit der gewölbten Anlagefläche (14) der Ankerplatte (5) zusammenwirkende komplementäre Kontaktfläche (12) an dem Sitzring (4) ausgebildet ist.
2. Zuganker (1 ) nach Anspruch 1, d ad u rch g eke n nze i c h net, dass der Außenkonus (8) der Ankermutter (3) im Innenkonus (11 ) des Sitzrings (4) selbstklemmend ist.
3. Zuganker (1 ) nach Anspruch 2, d ad u rch g eke n nze i c h net, dass das geschlitzte Konussegment (8) der Ankermutter (3) beim Anspannen des Zugankers (1) durch Eindringen in den Innenkonus (11) des Sitzrings (4) derart nach innen zusammengedrückt wird, dass das radiale Gewindespiel zwischen dem Ankerstab (2) und der Ankermutter (3) verringert wird.
4. Zuganker (1 ) nach Anspruch 3, d ad u rch g eke n nze i c h net, dass das geschlitzte Konussegment (8) der Ankermutter (3) beim Anspannen des Zugankers (1) durch den Innenkonus (11) des Sitzrings (4) soweit nach innen zusammendrückbar ist, dass das radiale Gewindespiel zwischen dem Ankerstab (2) und der Ankermutter (3) zumindest nahezu vollständig aufgehoben ist.
5. Zuganker (1 ) nach Anspruch 3 oder 4, d ad u rc h g e ke n n ze ic h n et , dass das geschlitzte Konussegment (8) der Ankermutter (3) durch den Innenkonus (11) des Sitzrings (4) soweit nach innen zusammendrückbar ist, dass das radiale Gewindespiel und das axiale Gewindespiel zwischen dem Ankerstab (2) und der Ankermutter (3) vollständig aufgehoben ist.
6. Zuganker (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d ad u rc h g eke n nze ic h n et , dass mindestens eine der Kontaktflächen der Konuspaarung (8, 11) zwischen der Ankermutter (3) und dem Sitzring (4) mit einer reibungsreduzierenden Beschichtung versehen ist.
7. Zuganker (1) nach einem der Ansprüche I bis 5, d ad u rc h g eke n nze ic h n et , dass an den Kontaktflächen der Konuspaarung (8, 11) zwischen der Ankermutter (3) und dem Sitzring (4) ein reibungs- reduzierender Einsatz, insbesondere ein Nyloneinsatz angeordnet ist.
8. Zuganker (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, d ad u rc h g eke n nze ic h n et , dass die Anlagefläche (14) der Ankerplatte (5) konkav gewölbt und die komplementäre Kontaktfläche (12) des Sitzrings (4) konvex gewölbt ist.
9. Zuganker (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, d ad u rc h g eke n nze ic h n et , dass die Anlagefläche (14) der Ankerplatte (5) und die komplementäre Kontaktfläche (12) des Sitzrings (4) sphärisch gewölbt sind.
10. Zuganker (1 ) nach Anspruch 9, d ad u rch g eke n nze ic h n et , dass die Ankerlochbohrung (15) der Ankerplatte (5) auf der von der Ankermutter (3) abgewandten Seite kegelstumpfartig erweitert ist.
11. Zuganker (1 ) nach Anspruch 10, d ad u rc h g e ke n nze i c h n et , dass die Ankerlochbohrung (15) der Ankerplatte (5) auf der von der Ankermutter (3) abgewandten Seite in einer radialen Richtung langlochartig vergrößert ist.
12. Zuganker (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, d ad u rc h g eke n nze ic h n et , dass er als Felsanker, insbesondere als Felsanker für untertägige Tunnelstrecken des Bergbaus, ausgebildet ist.
13. Zuganker-Set, umfassend mindestens einen Ankerstab (2), mindestens eine Ankermutter (3), mindestens eine Ankerplatte (5) und mindestens einen Sitzring (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei diese Komponenten des Zuganker-Sets jeweils aus faserverstärktem Kunststoff bestehen.
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