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Die Erfindung betrifft ein Verankerungselement, wie Nagel oder Bolzen zum Eintreiben mittels eines pulverkraftbetriebenen Bolzensetzgerätes, insbesondere eines Kolbengerätes, in harten Untergrund-beispiels- weise in Stahl oder Beton-das mindestens über den wesentlichen Teil seiner Länge als zylindrisches oder polygonales Rohr ausgebildet und an seinem freien Ende mit einer dem betreffenden Rohrprofil entsprechenden, vorzugsweise durch innenseitige Abschrägung gebildete Schneide versehen ist.
Das System der sogenannten"Direkt-Montage"von Verankerungselementen mittels pulverkraftbetriebener
Bolzensetzgeräte ist bekanntlich nur dann anwendbar, wenn der harte Untergrund unter dem Druck des eindringenden Nagel- oder Bolzenschaftes plastisch verformt wird-beispielsweise bei duktilen Metallen, wie
Stahl-oder aber, wenn der harte Werkstoff verdichtet wird-beispielsweise bei porigem Material, wie Beton.
Bei in den harten Untergrund eingetriebenen Nägel oder Bolzen aus Rundmaterial bzw. aus beliebigen
Vollprofilen wird also der Werkstoff durch den in denselben eindringenden, sogenannten "Schaft" des betreffenden Verankerungselementes im ersten Fall (Stahl) im Ausmass seines eingedrungenen Volumens plastisch nach aussen verdrängt bzw. im zweiten Fall (Beton) nach der Seite und nach unten hin verdichtet.
Bei dieser Direkt-Montage von Verankerungselementen haben sich in der Praxis verständlicherweise in gegenseitiger Relation zwischen höchstmöglicher Eintreibenergie und dem eintreibbaren Schaftvolumen sehr eindeutige Erfahrungswerte sowohl für bestimmte maximale Schaftdurchmesser als auch für die Höchstwerte der denselben zugeordneten Eintreibtiefe ergeben. Diese Grenzwerte sind bedingt durch Handlichkeit, Rückstoss bzw.
Sicherheit der auf den Baustellen zu verwendenden pulverkraftbetriebenen Bolzensetzgeräte-und eine Überschreitung dieser Dimensionen führt zwangsläufig zu hohen Ausfallsquoten. Gerade bei denneuerdings am häufigsten verwendeten kolbengetriebenen Bolzensetzgeräten-den sogenannten Kolbengeräten bzw. Sicherheitsgeräten-sollen die Bolzengewichte bzw. Bolzenmassen möglichst niedrig gehalten werden-u. zw. mit
Rücksicht auf die gewünschte niedrige Freiflugenergie. In vielen Ländern ist beim Versetzen von
Verankerungselementen die Freifluggeschwindigkeit mit 100 m/sec limitiert ; bei deren Überschreitung müssen auch Kolbengeräte mit einer Schutzkappe ausgerüstet werden.
Für Verankerungselemente zur Direkt-Montage mittels Bolzensetzgeräten hat sich daher aus allen diesen
Gründen für die Schaftdurchmesser in der Praxis eine Normung eingestellt von 3, 7 bis maximal 5 mm bzw. ausnahmsweise noch von 5, 5 mm - wobei die Eintreibtiefe in Stahl (Vollmaterial) etwa 15 mm und in Beton etwa 25 bis 38 mm betragen. Soferne nun solche in den harten Werkstoff eingetriebene Verankerungselemente in axialer Richtung belastet werden, können sie im allgemeinen noch lange vor Erreichen der Bruchgrenze des
Bolzenmaterials ausgezogen werden.
Bei Belastungen quer zum Schaft dagegen tritt-je nach Art der Belastung oder des Belastungsfalles-oft sehr frühzeitig ein Schaftbruch ein, wobei auf Grund einfacher festigkeitstheoretischer Überlegungen eine den Schaft beanspruchende Querkraft fast immer zum Biegungsbruch führen muss, und nur in den allerseltensten Fällen tritt allenfalls Abscherung ein. Für einen kreiszylindrischen
Bolzenschaft kann nachgewiesen werden, dass die Biegungslänge, d. i. die Länge des angreifenden Hebelarmes, kleiner als 1/6 seines Durchmessers ist, d. h., beispielsweise bei einem Schaftdurchmesser von 5 mm müsste der Angriffspunkt der Querkraft in einem geringeren Abstand von der Oberfläche des harten Werkstoffes (Eintreibgrenze) liegen als 0, 8 mm, damit dieser Nagel oder Bolzen tatsächlich durch Abscherung brechen könnte.
Bei Herstellung von Verankerungselementen aus Vollmaterial für grössere Biegebelastungen bietet daher an sich der Schaftdurchmesser die einzige Variationsmöglichkeit unter Voraussetzung der derzeit erreichbaren, optimalen Festigkeitswerte des Materials, wobei jedoch aus den oben erwähnten Gründen hier bereits die wirtschaftliche Grenze erreicht ist. Es muss daher in der Praxis auf viele durchaus interessante Anwendungsmöglichkeiten der Direkt-Montage verzichtet werden, bei welchen eben grössere Querkräfte aufzunehmen sind. Der einzige Ausweg, die Anzahl der gesetzten Nägel oder Bolzen zu vergrössern, soweit dies überhaupt möglich ist, führt in den meisten Fällen zu untragbar hohen Kosten.
Aus der österr. Patentschrift Nr. 180047 sind nun Verankerungsgeschosse, welche durch Treibgasdruck eingetrieben werden, bekannt, bei denen mindestens der eingetriebene Geschossschaft ein Profil hat, bei dem das Verhältnis von Umfang zur Querschnittsfläche grösser ist als bei einem flächengleichen, regelmässigen Fünfeck bzw. Kreis und bei welchem die kleinste Entfernung des Querschnittsschwerpunktes vom Querschnittsumfang gleich oder kleiner ist als die halbe Seite eines flächengleichen Quadrates, wobei die die Profileckpunkte enthaltenden Kanten des Verankerungsgeschosses annähernd in den die Geschossachse enthaltenden Ebenen liegen.
Mit den dort vorgeschlagenen Ausführungsformen von Verankerungsbolzen mit den allerdings überaus komplizierten und somit schwierig herstellbaren Querschnitten wird infolge der dabei erzielten Vergrösserung der Mantelfläche des Schaftes auch zweifellos eine wesentliche Erhöhung des axialen Auszugswertes des Bolzens erreicht.
Des weiteren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1625359 ein bolzenförmiges Verankerungselement mit einer durchgehenden Axialbohrung entnehmbar. Die vordere Stirnseite des Verankerungselementes ist als Schneide ausgebildet. Die Axialbohrung dient hier der Vermeidung von Lufteinschlüssen, die beim Eintreiben des Verankerungselementes in das Untergrundmaterial entstehen würden. Deshalb weist die Axialbohrung, in Relation zum Schaft des Verankerungselementes, eine geringe lichte Weite auf. Zur Ableitung des beim Eintreibvorgang durch den Schaftquerschnitt verdrängten Untergrundmaterials ist diese Axialbohrung somit nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass es bei Verankerungselementen für die Direkt-Montage vor allem wesentlich ist, um mit der vorgegebenen Eintreibenergie (Kartusche, usw. ) eine ausreichende Eindringtiefe des Verankerungselemente-Schaftes zu erzielen, dass sowohl der in der Projektion des Innendurchmessers des Verankerungselementes gelegene Werkstoffkern als auch der der Schaftwandung entsprechende Werkstoffteil zumindest teilweise entweichen kann.
Nach der Erfindung wird nun bei Verankerungselementen wie bei Nägel oder Bolzen der eingangs beschriebenen Art zum Eintreiben in harten Untergrund dieser Effekt in einfacher und wirksamer Weise dadurch erreicht, dass der Innendurchmesser bzw. die innere lichte Weite des Verankerungselementes mindestens an seinem in den harten Werkstoff einzutreibenden Schaft etwa das 0, 65- bis 0, 90fache-vorzugsweise das 0, 80- bis 0, 86fache-des betreffenden Aussenmasses beträgt.
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Verankerungswerte gewährleistet. Zweckmässig kann der polygonal profilierte Nagel oder Bolzen als Vierkantrohr ausgebildet sein, bei welchem im Falle der Biegebeanspruchung bekanntlich die in den Randzonen auftretenden
Zug- und Druckspannungen besser aufgenommen werden als von einem flächengleichen Kreisringquerschnitt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses rohrförmigen Verankerungselementes soll der Kopfteil verstärkt ausgebildet sein und die Höhe des Kopfteiles, wie an sich bekannt, mindestens dem 0, 3fachen des
Innendurchmessers des Verankerungselementes entsprechen.
Bei derartigen, rohrförmig ausgebildeten Verankerungselementen kann im Falle von Stahl bzw. sonstigen plastisch verformbaren Werkstoffen das bei Eintreiben in den harten Untergrund verdrängte Material durch das
Innere des hohlen Schaftes abfliessen bzw. wird sich bei verdichtbaren Werkstoffen, wie Beton od. dgl. auch innerhalb des Schaftes eine Verdichtungszone ausbilden. Durch die vorgesehene Ausbildung der ringförmigen
Schneide mit innenseitiger Abschrägung wird einerseits vor allem gegenüber einfachen Spitzen die auftretende "Sprengwirkung" wesentlich vermindert, anderseits werden auch die erwähnten Vorgänge der Materialverformung bzw. -verdichtung wesentlich begünstigt.
Durch das bei Eintreiben des rohrförmigen Nagels oder Bolzens in Stahl erfolgende Abfliessen des verdrängten Materials im wesentlichen nach innen wird aber auch der axiale Auszugswert des Verankerungselementes bedeutend erhöht : Die sich an der Aussenseite des Schaftes ausbildenden Druckspannungen-welche die Verankerungskraft in axialer Richtung bestimmen-werden nämlich nicht durch das der Bewegung des Eintreibens entgegenfliessende Material gestört, so dass bei Eintreiben in Vollstahl ähnliche Verankerungswerte erwartet werden können wie bei der sogenannten "Durchschuss-Montage", d. h. mit an der Unterseite des Materials herausragender Spitze.
Bei einer Vergrösserung des Schaftquerschnittes von 5 mm Vollmaterial auf ein im Querschnitt flächengleiches Rohr von 18 X 8, 6 mm wird die gesamte Schaftoberfläche, also innen und aussen, auf das 3, 7fache bzw. der äussere Mantel allein auf das Doppelte vergrössert. Bei Befestigung des Verankerungselementes in Stahl tragen nämlich beide Mantelflächen des Rohres zur axialen Verankerung bei, bei Befestigung in Beton trägt dagegen nur die Aussenfläche.
Begnügt man sich nun mit den bisherigen Verankerungswerten von vollzylindrischem Material, dann hat demgegenüber ein rohrförmiger Nagel oder Bolzen nur die Hälfte bis ein Drittel der Eindringtiefe, d. h. der rohrförmige Schaft könnte entsprechend kürzer sein. Daraus ergibt sich aber, dass bei Verwendung von kolbengetriebenen Bolzensetzgeräten auch für grössere Schaftquerschnitte die Masse des Nagels oder Bolzens so gering gehalten werden kann, dass die kritische Freiflugenergie bei einer Freifluggeschwindigkeit von 100 m/sec nicht erreicht wird und solche Geräte somit ohne Schutzkappe verwendet werden dürfen.
Ein weiterer Vorteil der rohrförmigen Verankerungselemente mit der erfindungsgemässen lichten Weite besteht darin, dass durch Vergrössern ihres Durchmessers das Trägheitsmoment erheblich ansteigt und damit auch die Knickfestigkeit des Bolzens. Dies ist vor allem bei längeren Bolzen von Bedeutung-also bei solchen zur Befestigung in Beton ; dadurch wird aber wieder die Ausfallquote erniedrigt bzw. können Betonverankerungen tiefer ausgeführt werden als bisher. Schliesslich sei noch darauf hingewiesen, dass bei Befestigung von Blechen auf hartem Untergrund, beispielsweise bei Blechdächern, bei Verwendung rohrförmiger Nägel durch den grossen Aussendurchmesser die Lochleibungsfestigkeit des Bleches grösser ist als bei Nägel aus Vollmaterial.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des rohrförmigen Verankerungselementes ist der Schaft innen mit Profilierungen versehen, an welchen zwecks Erhöhung seines axialen Auszugswertes der anliegende, plastisch verformbare Werkstoff formschlüssig verankert ist. Beispielsweise kann der Rohrschaft mit einer entlang seines Umfanges eingewalzten Sicke versehen sein. Bei einer andern Variante ist die Wand des Rohrförmigen Bolzens innen von der Schneide an gegen den Bolzenkopf zu leicht verstärkt und bildet etwa in Höhe der Eintreibgrenze eine Stufe, über welcher der Innenraum des Rohres entsprechend erweitert ist.
In den Zeichnungen sind vier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäss ausgebildeten rohrförmigen Verankerungselementes veranschaulicht. Es zeigen : Fig. 1 einen solchen zylinder-rohrförmigen Nagel, mittels dessen an einem Stahlträger eine dünne Blechplatte befestigt ist-teilweise in Ansicht teilweise im Mittelschnitt ; Fig. 2 und 2a einen Befestigungsnagel aus Vierkantrohr zum setzen in Stahl im Mittelschnitt bzw. in Druntersicht ; Fig. 3 und 4 zwei Varianten von Gewindebolzen zum Setzen in Beton, lediglich mit unterschiedlicher Ausbildung des aufgestauchten Kopfes.
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Der in Fig. l dargestellte rohrförmige Nagel--10--, mit welchem hier auf Stahluntergrund--l--ein dünnes Blech--2--, beispielsweise etwa eine Dachhaut, befestigt ist, kann zweckmässig aus nahtlosem Rohr hergestellt sein und ist unten mit einer innenseitig abgeschrägten Schneide--11--versehen sowie einem durch Einrollen des Randes gebildeten verstärkten Kopf--12--. Der eingerollte Rand-12-des Nagelkopfes ist an seinem äusseren Rand mit mehreren-hier vier-Einschnitten--14-versehen, welche beispielsweise zur Einrastung einer Kunststoffkappe, zum Einlegen eines Drahtes für Deckenabhängungen od. dgl. bzw. zum Ansetzen eines Ausziehgerätes dienen können.
Weiters ist der Schaft--10--zur Verbesserung der axialen Auszugswerte mit einer entlang seines Umfanges eingewalzten Sicke--15--versehen. Dieser Nagelkopf - -12--, welcher mit der an seinem unteren Ende gebildeten Schulter --13-- am betreffenden Befestigungsteil --2-- aufsitzt, muss selbstverständlich so hoch sein, um den im Inneren des Schaftes eingedrungenen und somit nach oben verdrängten Pfropfen des plastisch verformbaren Werkstoffes
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Setzen in Stahl od. dgl.
muss also die Höhe des verstärkten Kopfes--12-, wie an sich bekannt, mindestens dem 0, 3fachen des Innendurchmessers des Verankerungselementes --10-- entsprechen. Bei einem in Stahl eingetriebenen, rohrförmigen Nagel von dem bereits wiederholt erwähnten Prototyp mit Durchmesser
10 X 8, 6 mm, welcher etwa der Ausführungsform gemäss Fig. 1 entspricht, beträgt die Eindringtiefe etwa 10 mm, wobei also im hohlen Schaft --10-- der Pfropfen --1'-- des harten Werkstoffes von der Eintreibgrenze maximal 3, 5 mm hoch aufsteigt.
Bei Verwendung der erfindungsgemässen, rohrförmigen Verankerungselemente ergeben sich weiters beim
Setzen in harten Untergrund folgende Vorteile : Bei Beschuss von Vollstahlmaterial wird gegenüber der
Verwendung der bisher bekannten Bolzen an der Oberfläche des Vollstahlmaterials praktisch kein bzw. nur ein minimaler Aufwölbungskegel auftreten, so dass der am harten Untergrund zu befestigende Bauteil, beispielsweise eine Dachhaut aus Blech u. a. m., einwandfrei satt anliegt. Dies zum Unterschied von bisher verwendeten
Befestigungselementen, durch welche an der Oberfläche des plastisch verformbaren Untergrundmaterials rund um den Bolzen ein stark ausgeprägter Aufwölbungskegel bzw. Aufwölbungsgrat entsteht.
Ausserdem wird bei den hohlen Schäften nach der Erfindung auch die Abscherfestigkeit noch weiter verbessert, was beispielsweise bei der
Nagelung dünner Bleche wichtig sein kann. Bezogen auf die Oberfläche des harten, plastisch verformbaren Untergrundmaterials--l--würde nämlich bei dem oben angeführten Ausführungsbeispiel mit einem
Rohrdurchmesser 10 X 8, 6 mm, der im hohlen Schaft--10--nach oben verdrängte Pfropfen etwa
3, 5 mm aufsteigen, d. i. also bei der angegebenen relativen Wandstärke etwa ein Drittel des Aussendurchmessers.
Wird nun, wie aus Fig. l ersichtlich, ein Blech von demgegenüber geringerer Stärke, also beispielsweise 2 mm befestigt, dann kann sich bei auftretender Abscherbelastung der rohrförmige Kegel --10-- gegen den in seinem Inneren aufgeworfenen Werkstoff--l--abstützen, so dass im Vergleich mit einem 5 mm starken Schaft aus
Vollmaterial die Abscherbelastung theoretisch etwas über den 3fachen Wert ansteigen wird. Ausserdem wird aber das verdrängte harte Grundmaterial --1'-- durch die eintretende Kaltverformung zusätzlich wesentlich verfestigt, u. zw. nachweisbar bis zum 3fachen Wert, wodurch praktisch noch wesentlich höhere Abscherbelastungen aufgenommen werden können.
Fig. 2 zeigt die Form eines Nagels --20-- aus Vierkantrohr mit quadratischem Querschnitt mit aufgestauchtem Kopf--22-, wieder in der Fasson für Stahlbeschuss. Die Wand des rohrförmigen Schaftes --20-- ist von der Schneide--21--an innen leicht verstärkt und bildet etwa in Höhe der Eintreibgrenze eine Stufe--25--, über welche der Innenraum des Rohres entsprechend erweitert ist, so dass der im Rohr - -20-- aufsteigende Pfropfen --1'-- des plastisch verformbaren Untergrundmaterials an dieser Stufe bzw.
Erweiterung eine formschlüssige Verankerung findet.
Die Fig. 3 und 4 zeigen einen rohrförmigen Gewindebolzen-30 bzw. 40-in zwei Varianten zum Setzen in Betonuntergrund-3--. Im ersten Fall gemäss Fig. 3 ist am oberen Ende des Bolzens-30-, der den Kopf bildende Wulst --32-- aussen aufgestaucht und mit einem Aussengewinde --36-- versehen. Bei der zweiten Ausführungsform (Fig. 4) ist am Rohr--40--der Kopf--42--an der Innenwand aufgestaucht und trägt ein Innengewinde--46--. Aus Fig. 3 ist schliesslich noch bei dem im Beton versetzten rohrförmigen Bolzen--30--die besonders günstige Verdichtung des Betons an der gesamten Aussen- und Innenwand des Rohres ersichtlich, wodurch der Auszugswert des Bolzens natürlich wesentlich gesteigert wird.
Sämtliche hier dargestellten rohrförmigen Verankerungsnägel bzw. -bolzen können selbstverständlich, je nach verwendetem Bolzensetzgerät, in üblicher Weise mit Rondellen aus Stahl oder Kunststoff bestückt werden.
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