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PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Abstützung und Vorspannung von Gebirgsankern, bestehend aus mindestens einer Ankerplatte mit einer Bohrung zum Aufstecken auf den Gewindeteil eines Ankers sowie einer Mutter zum Vorspannen des Ankers, wobei die Ankerplatte koaxial zur Bohrung eine aus der Ebene der Platte aufragende Erhebung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung die Form einer Kegelfläche (2) hat und dass die Wandung (4,4') der Bohrung konisch oder als zur Bohrungsachse konvergierende konvexe Ringfläche und die Mutter (5) oder ein der Mutter vorgelagerter Ring- (8) oder Hülsenteil (12) im Bereich der Sitzfläche konisch (7) oder als konvexe oder konkave zur Achse der Mutter konvergierende Ringfläche (7,7") ausgebildet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelfläche (2) aus der ebenen Ankerplatte (1) kalt herausgepresst ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel der Kegelfläche (2) der Platte etwa 1200 beträgt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel des Konus der Wandung (4) etwa 90" beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungswinkel des Konus der Wandung (4) sowie der Sitzfläche der Mutter oder der Hülse (12) kleiner als 20 sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ankerstange (6) eine erste Ankerplatte (1) aufgesetzt und eine Mutter (5) aufgeschraubt und zwecks Ankervorspannung festgezogen ist und dass mindestens eine weitere Ankerplatte (9) auf der Ankerstange (6) aufgesetzt und jeweils eine weitere Mutter (10) auf der Ankerstange (6) vorgesehen ist.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abstützung und Vorspannung von Gebirgsankern, bestehend aus mindestens einer Ankerplatte mit einer Bohrung zum Aufstecken auf den Gewindeteil eines Ankers sowie einer Mutter zum Vorspannen des Ankers, wobei die Ankerplatte koaxial zur Bohrung eine aus der Ebene der Platte aufragende Erhebung aufweist.
Gebirgsanker weisen tunnelseitig auf den vorstehenden Ankerbolzen aufgesteckte Ankerplatten auf, die sich am Gebirge abstützen und die die Vorspannkraft durch Anziehen der aufgeschraubten Ankermutter auf das Gebirge übertragen. Solche Ankerplatten sind früher durchwegs als ebene Stahlplatten ausgebildet worden. Nachteilig dabei war, dass die Ankerplatten genau rechtwinkelig zur Ankerstange ausgerichtet sein mussten, um eine vollflächige Auflage der Mutter bzw. der dieser unterlegter Beilagscheibe zu gewährleisten. Da dies in den seltensten Fällen zutraf, musste sich diese Ankerstange gewaltsam an die asymmetrischen Bedingungen anpassen.
Die Ankerstange hat sich unmittelbar hinter der Mutter so weit verbogen, bis die Mutter voll auflag, wobei die Ankerstange im Gewindebereich einer zusätzlichen Biegebeanspruchung und damit Kerbwirkung unterworfen war, die zu vorzeitigen, zum Teil weit unter der Zugfestigkeit liegenden Ankerabrissen führte. Darüberhinaus unterlagen die ebenen Ankerplatten durch die Zuglast einer sehr starken tellerförmigen Verformung die eine zunehmende Verringerung der Auflagefläche ergab. Um einerseits die Möglichkeiten der Anpassung der Ankerplatte an die Unebenheiten des Gebirges zu vergrössern wurden die Ankerplatten mit einer gepressten Kugelkalotte und einem exzentrischen Längsschlitz versehen.
Dies ermöglichte wohl die Anpassung in einer Richtung (Richtung des Längsschlitzes) doch wurde die Erhöhung der Steifigkeit durch die Schwächung der Kugelkalotte durch den Längsschlitz nahezu wieder aufgehoben. Desweiteren konnte bei Lastzunahme nicht verhindert werden, dass die Mutter im Längsschlitz seitlich abrutschte und den gleichen negativen Effekt wie bei den ebenen Platten ergab.
Ferner wurden die Längsschlitze unter Last auseinandergebogen und die Muttern durch den auf diese Weise wesentlich verbreiterten Spalt hindurchgezogen, so dass der betreffende Anker plötzlich nicht mehr tragfähig war. Das generelle Problem der kugelkalottenförmigen Ankerplatte bestand darin, dass diese, auch bei völlig ebener Auflagefläche, letzlich nur mit der flach gedrückten Fläche der Kugelkalotte am Gebirge anlag, während sich der ursprünglich ebene Teil der Ankerplatte tellerförmig aufbog. Als weiterer negativer Effekt begann sich dann die Mutter durch die flach gedrückte Platte durchzustanzen, sofern nicht schon vorher, durch extreme Biegezugbelastung, die Ankerstange abriss.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung zur Abstützung und Vorspannung von Gebirgsankern zu schaffen, die einem grösseren Gebirgsdruck widersteht, als dies bei hinsichtlich der Materialstärke vergleichbaren, üblichen Ankerplattenanordnungen der Fall ist. Es hat sich ferner herausgestellt, dass die Belastbarkeit der bekannten Ankerplattenanordnungen nicht genau vorbestimmbar ist.
Bei einer bestimmten Type liegt beipielsweise die Belastungsgrenze in einem relativ grossen Bereich zwischen 12 und 18 Tonnen. Somit war es auch ein Ziel, eine Ankerplattenanordnung mit genauer vorbestimmbarer Lastgrenze zu schaffen.
Ferner sollte eine Anpassungsmöglichkeit an das Gebirge gegeben sein und eine vollkommene Auflagefläche auch bei höherer Belastung erzielt werden können. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Erhebung die Form einer Kegelfläche hat und dass die Wandung der Bohrung konisch oder als zur Bohrungsachse konvergierende konvexe Ringfläche und die Mutter oder ein der Mutter vorgelagerter Ring- oder Hülsenteil im Bereich der Sitzfläche konisch oder als konvexe oder konkave zur Achse der Mutter konvergierende Ringfläche ausgebildet sind. Die Kräfteverteilung ist bei dieser Plattenanordnung wesentlich günstiger als bisher.
Der Kegel erweist sich, wie eine längere Versuchsreihe gezeigt hat, als besonders resistent und stabil und unterliegt nicht der Biegebeanspruchung wie die bekannte Kugelkalotte, da die Zugkraft der Ankerstange in Vektoren aufgeteilt wird, die mit den Erzeugenden der Kegelfläche zusammenfallen. Es ist zweckmässig, wenn die Kegelfläche aus der ebenen Ankerplatte kalt herausgepresst ist. Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Öffnungswinkel der Kegelfläche der Platte etwa 1200 und der Öffnungswinkel des Konus der Wandung etwa 90" beträgt. Die oben erwähnte Hülse bzw. die Mutter kann auch eine grössere Länge aufweisen und auf ihrer Aussenfläche bzw. Sitzfläche konisch ausgebildet sein, wobei der Konuswinkel vorzugsweise kleiner als 20 ist.
Der relativ lange Konus gestattet eine weichere und nachgiebigere Anpassung der Ankerplattenanordnung an den Gebirgsdruck. Dies ist bei stark quellendem Gebirge besonders vorteilhaft. Selbst wenn die Mutter oder die Hülse in die Bohrung hineingezogen wird, kommt es bloss zur kontrollierten Aufweitung der Bohrung, jedoch nicht zur Deformation des Plattenkegels.
Zur Verstärkung einer Ankerbefestigung ist gemäss einer zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass auf der Ankerstange eine erste Ankerplatte aufgesetzt und eine Mutter aufgeschraubt und zwecks Ankervorspannung festgezogen ist und dass mindestens eine weitere Ankerplatte auf der Ankerstange aufgesetzt undjeweils eine weitere
Mutter auf der Ankerstange vorgesehen ist. Eine auf einer Baustelle vorhandene Type von Ankerplatten kann auf diese Weise verstärkt werden. Ferner zeigt sich des öfteren, dass das Gebirge erst nach einigen Wochen wieder einen Gleichgewichtszustand erreicht und im Laufe dieser Zeit manche Anker besonders stark belastet werden. Wird die Ankerplatte über ihre zulässige Tragfähigkeit belastet, dann kann die Mutter durch die Plattenbohrung durchgestanzt werden. In diesen Fällen ist die Überlagerung einer weiteren Ankerplatte höherer Lastgrenze zweckmässig die dann erst zum Tragen kommt. Sollte eine Ankerbefestigung unterdimensioniert gewesen sein, so lässt sich dies ebenfalls auf die oben beschriebene Art korrigieren. Es können auch mehrere Platten - z.B. jeweils mittels einer Mutter gesichert - übereinander angeordnet werden.
Auch kann die Form der überlagerten Platte so gewählt werden, dass sie die darunterliegende Platte übergreift und selbst in Eingriff mit dem Gestein gelangt.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ankerplatte, Fig. 2, 3 und 4 Variationen der Sitzflächen zwischen Mutter und Bohrung, Fig. 5 ein Montagebeispiel für eine zweite Sicherungsplatte und Fig. 6 eine alternative Mutterausführung mit Konushülse.
Die Ankerplatte 1 nach Fig. 1 besteht aus Stahl und weist in ihrem Zentrum eine aus der Plattenebene aufragende Kegelfläche 2 mit dem Öffnungswinkel a auf. Diese Kegelfläche wird vorzugsweise durch Kaltpressen hergestellt. In der Kegelachse liegt eine Bohrung 3, deren Wandung 4 konisch ausgebildet ist (Konuswinkel ). Die Platte 1 wird mittels einer Mutter 5 auf eine Ankerstange 6 aufgesteckt und gebenüber dem Gebirge festgezogen, bis die gewünschte Ankervorspannung erreicht ist. Die Platte 1 stützt sich dabei auf dem Gebirge ab. Die Sitzfläche 7 der Mutter 5 ist ensprechend dem Wandungskonus 4 der Bohrung 3 konisch ausge bildet. Diese Formgestaltung gewährleistet eine gleichmässigere Zugkräfteverteilung in der Platte selbst und ermöglicht eine besonders hohe Tragfähigkeit der Platte mit genau definierbarer Grenzlast (siehe Kraftvektoren in Fig. 1).
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante der Sitzfläche zwischen Mutter und Bohrung. Die Sitzfläche 7 ist ballig ausgebildet und liegt an der konischen Bohrung 4 an. Auf diese Weise erfolgt lediglich eine kreislinienförmige Berührung zwischen Mutter und Bohrung. Die eventuelle Anpassung der Ankerplatte 1 an eine Schräge des Gebirges wird so erleichtert. Selbstverständlich ist es möglich, dass die Sitzfläche 7' auf einem speziellen Ringteil in der Art einer Beilagscheibe einer normalen Mutter vorgelagert ist. Dies gilt auch für alle weiteren Ausgestaltungen der Sitzfläche. Fig. 3 zeigt eine konvexe Rotationsfläche als Bohrungswandung 4', an der die Konusfläche 7 der Mutter gemäss Fig. 1 anliegt. Die Bohrungswandung nach Fig. 4 entspricht der Ausführung nach Fig. 3.
Die Sitzfläche 7" der Mutter bzw. eines eventuellen Ringteiles entspricht einer konkaven Ringfläche. Die Konusform ist bei allen drei Beispielen jedoch im wesentlichen erkennbar. Bei einer Abwandlung derselben ist Voraussetzung, dass die Aufteilung des axialen Zugkraftvektors der Ankerstange in der in Fig. 1 gezeigten Weise erfolgt.
Fig. 5 zeigt die Sicherung eines Gebirgsankers durch eine zweite Ankerplatte. Der untere Teil der Fig. 5 entspricht der Ausführung nach Fig. 1. Lediglich der konische Teil der Mutter, der die Sitzfläche umfasst, stellt in Fig. 5 ein separates Bauelement - die Scheibe 8 - dar.
Im oberen Teil der Fig. 5 ist eine weitere, stärkere A.nl;er- platte 9 mit der Mutter 10 vorgesehen, die dann zum Tragen kommt, wenn infolge Überschreiten der Lastgrenze der Plaste 1 die Mutter 5 durch die Bohrung 3 durchgezogen wird. Dem Gebirge kann bewusst eine gewisse Bewegungsfreiheit eingeräumt werden, bis die stärkere Platte 9 die Last übernimmt.
Die Platte 9 kann aber auch so ausgebildet sein, dass sie die Kegelfläche 2 der Platte 1 übergreift und bereits frühzeitig zur Verstärkung der Platte 1 des weiteren sofort festgezogen werden, wobei aber die Ankervorspannung durch die Mutte 5 hervorgerufen wird.
Bei der Ankerplattenanordnung nach Fig. 6 wird die Ankervorspannung durch eine Mutter 11 erreicht, die jedoch nicht unmittelbar mit der Ankerplatte 1 zusammenwirkt, sondern gegen eine der Ankerstange 6 überschobene Hülse 12 mit konischer Aussenfläche 13 anliegt. Die Bohrung der Platte 1 weist oben eine korrespondierende konische Innenwandung 4 auf. Weist die Hülse 12 einen flachen Konus auf, dann ist die Anordnung durch den Gebirgsdruck dynamisch beanspruchbar. Die Hülse kann entsprechend weit in die Bohrung 3 hineingezogen werden, ohne dass die Kegelfläche 2 der Platte 1 deformiert wird. Es unterliegt lediglich die Boh- rung 3 einer zulässigen Aufweitung.
Ist ein steiler Ko-.ius 13 vorgesehen, dann ist der der Ankerstange 6 überschobene der Hülst 11 entsprechende Teil eine > * schiebe oder ein Ring, der zur Kräfteverteilung beispielsweise Ca't dem Konus 7 der Mutter 5 gleichgesetzt werden kant.. Die Mutter 11 kann einstückig mit dem Hülsenteil 12 ausgebildet sein. Dies is-n- vorteilhaft, da dann eine grössere Gewindelänge gegeben Ist. Die separate Hülse neigt bei extremer Beanspruchung dazu, das Gewinde der Ankerstange zu beschädigen.
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PATENT CLAIMS
1.Device for supporting and prestressing rock anchors, consisting of at least one anchor plate with a bore for plugging onto the threaded part of an anchor and a nut for prestressing the anchor, the anchor plate having an elevation rising from the plane of the plate coaxial with the bore, thereby characterized in that the elevation is in the form of a conical surface (2) and that the wall (4, 4 ') of the bore is conical or as a convex annular surface converging to the axis of the bore and the nut (5) or an upstream ring (8) or Sleeve part (12) in the area of the seat conical (7) or as a convex or concave to the axis of the nut converging ring surface (7,7 ") are formed.
2. Device according to claim 1, characterized in that the conical surface (2) from the flat anchor plate (1) is cold pressed out.
3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the opening angle of the conical surface (2) of the plate is about 1200.
4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the opening angle of the cone of the wall (4) is approximately 90 ".
5. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the opening angle of the cone of the wall (4) and the seating surface of the nut or the sleeve (12) are less than 20.
6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a first anchor plate (1) is placed on the anchor rod (6) and a nut (5) is screwed on and tightened for the purpose of anchor pretensioning, and in that at least one further anchor plate (9) the anchor rod (6) is placed and a further nut (10) is provided on the anchor rod (6).
The invention relates to a device for supporting and prestressing rock anchors, consisting of at least one anchor plate with a bore for plugging onto the threaded part of an anchor and a nut for prestressing the anchor, the anchor plate having an elevation coaxial with the bore from the plane of the plate .
Mountain anchors have anchor plates on the tunnel side that are attached to the protruding anchor bolts, which are supported on the mountains and which transmit the prestressing force to the mountains by tightening the screwed-on anchor nut. Such anchor plates were previously consistently designed as flat steel plates. The disadvantage here was that the anchor plates had to be aligned exactly at right angles to the anchor rod in order to ensure that the nut or the washer placed underneath was fully supported. Since this was rarely the case, this anchor rod had to adapt to the asymmetrical conditions by force.
The anchor rod immediately bent behind the nut until the nut was fully seated, whereby the anchor rod in the threaded area was subjected to an additional bending stress and thus notch effect, which led to premature anchor breaks, some of which were far below the tensile strength. In addition, the flat anchor plates were subjected to a very strong plate-shaped deformation due to the tensile load, which resulted in an increasing reduction in the contact surface. In order to increase the possibilities of adapting the anchor plate to the unevenness of the mountains, the anchor plates were provided with a pressed spherical cap and an eccentric longitudinal slot.
This probably enabled the adjustment in one direction (direction of the longitudinal slot) but the increase in stiffness was almost canceled out by the weakening of the spherical cap by the longitudinal slot. Furthermore, when the load increased, it could not be prevented that the nut slipped sideways in the longitudinal slot and gave the same negative effect as with the flat plates.
Furthermore, the longitudinal slots were bent apart under load and the nuts were pulled through the gap which was significantly widened in this way, so that the anchor in question was suddenly no longer load-bearing. The general problem of the spherical cap-shaped anchor plate was that, even with a completely flat contact surface, it ultimately only touched the mountains with the flattened surface of the spherical cap, while the originally flat part of the anchor plate bent up in a plate shape. As a further negative effect, the nut then began to punch itself through the flattened plate, if not before, due to extreme bending tensile stress, the anchor rod tore off.
The invention aims to provide a device for supporting and prestressing rock anchors that withstands a greater rock pressure than is the case with conventional anchor plate arrangements that are comparable in terms of material thickness. It has also been found that the load capacity of the known anchor plate arrangements cannot be precisely predefined.
For a certain type, for example, the load limit is in a relatively large range between 12 and 18 tons. It was therefore also a goal to create an anchor plate arrangement with a precisely predeterminable load limit.
Furthermore, it should be possible to adapt to the mountains and a complete contact surface should be achieved even with higher loads. This is achieved according to the invention in that the elevation is in the form of a conical surface and in that the wall of the bore is conical or as a convex ring surface converging to the axis of the bore and the nut or a ring or sleeve part upstream of the nut is conical in the area of the seat surface or as a convex or concave annular surface converging to the axis of the nut are formed. The force distribution in this plate arrangement is much cheaper than before.
As a long series of tests has shown, the cone proves to be particularly resistant and stable and is not subject to the bending stress like the known spherical cap, since the tensile force of the anchor rod is divided into vectors which coincide with the generators of the cone surface. It is expedient if the conical surface is cold pressed out of the flat anchor plate. It is also advantageous if the opening angle of the conical surface of the plate is approximately 1200 and the opening angle of the cone of the wall is approximately 90 ". The sleeve or nut mentioned above can also have a greater length and be conical on its outer surface or seat surface , wherein the cone angle is preferably less than 20.
The relatively long cone permits a softer and more flexible adaptation of the anchor plate arrangement to the rock pressure. This is particularly advantageous in the case of strongly swelling mountains. Even if the nut or sleeve is pulled into the hole, there is only controlled expansion of the hole, but no deformation of the plate cone.
To reinforce an anchor attachment, according to an expedient embodiment of the invention it is provided that a first anchor plate is placed on the anchor rod and a nut is screwed on and tightened for the purpose of anchor pretensioning, and that at least one further anchor plate is placed on the anchor rod and in each case a further one
Nut is provided on the anchor rod. An existing type of anchor plate on a construction site can be reinforced in this way. Furthermore, it is often shown that the mountains only reach a state of equilibrium again after a few weeks and that some anchors are particularly heavily loaded during this time. If the anchor plate is loaded beyond its permissible load-bearing capacity, the nut can be punched through the plate hole. In these cases, it is advisable to overlay another anchor plate with a higher load limit, which will then only come into effect. If an anchor attachment was undersized, this can also be corrected in the manner described above. Several plates can also be used - e.g. each secured by a nut - can be arranged one above the other.
The shape of the superimposed plate can also be selected so that it engages over the plate underneath and comes into engagement with the rock itself.
Embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawings. 1 shows a cross section through an anchor plate, FIGS. 2, 3 and 4 variations of the seating surfaces between the nut and the bore, FIG. 5 shows an assembly example for a second locking plate and FIG. 6 shows an alternative nut version with a conical sleeve.
The anchor plate 1 according to FIG. 1 is made of steel and has in its center a conical surface 2 with the opening angle a rising from the plane of the plate. This conical surface is preferably produced by cold pressing. In the cone axis there is a bore 3, the wall 4 of which is conical (cone angle). The plate 1 is placed on an anchor rod 6 by means of a nut 5 and tightened over the mountains until the desired anchor preload is reached. The plate 1 is based on the mountains. The seat 7 of the nut 5 is conical out the wall cone 4 of the bore 3 forms. This design ensures a more even distribution of tensile forces in the plate itself and enables a particularly high load-bearing capacity of the plate with a precisely definable limit load (see force vectors in FIG. 1).
Fig. 2 shows a variant of the seat between the nut and the bore. The seat 7 is spherical and lies against the conical bore 4. In this way, there is only a circular contact between the nut and the bore. The possible adaptation of the anchor plate 1 to a slope of the mountains is made easier. Of course, it is possible for the seat 7 'to be placed in front of a normal nut on a special ring part in the manner of a washer. This also applies to all other configurations of the seat. FIG. 3 shows a convex surface of rotation as a bore wall 4 ', against which the conical surface 7 of the nut according to FIG. 1 rests. 4 corresponds to the embodiment according to FIG. 3.
The seat 7 "of the nut or a possible ring part corresponds to a concave ring surface. However, the cone shape is essentially recognizable in all three examples. If the latter is modified, it is a prerequisite that the distribution of the axial tensile force vector of the anchor rod is shown in FIG. 1 Way is done.
Fig. 5 shows the securing of a rock anchor by a second anchor plate. The lower part of FIG. 5 corresponds to the embodiment according to FIG. 1. Only the conical part of the nut, which encompasses the seat surface, represents a separate component in FIG. 5 - the disk 8.
In the upper part of FIG. 5, a further, stronger aluminum plate 9 is provided with the nut 10, which comes into play when the nut 5 is pulled through the bore 3 as a result of the load limit of the plastic 1 being exceeded. The mountains can be deliberately given a certain freedom of movement until the stronger plate 9 takes over the load.
The plate 9 can, however, also be designed such that it engages over the conical surface 2 of the plate 1 and can also be tightened at an early stage to reinforce the plate 1, but the anchor preload is caused by the nut 5.
In the case of the anchor plate arrangement according to FIG. 6, the anchor preload is achieved by a nut 11 which, however, does not interact directly with the anchor plate 1, but bears against a sleeve 12 with a conical outer surface 13 which is pushed over the anchor rod 6. The bore of the plate 1 has a corresponding conical inner wall 4 at the top. If the sleeve 12 has a flat cone, the arrangement can be dynamically stressed by the rock pressure. The sleeve can be drawn correspondingly far into the bore 3 without the conical surface 2 of the plate 1 being deformed. Only the hole 3 is subject to a permissible expansion.
If a steep Ko-.ius 13 is provided, then the part corresponding to the sleeve 11 which is pushed over the anchor rod 6 is a> * push or a ring which can be equated with the cone 7 of the nut 5 for force distribution, for example Ca't. The nut 11 can be formed in one piece with the sleeve part 12. This is advantageous since a longer thread length is then given. The separate sleeve tends to damage the thread of the anchor rod under extreme stress.