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Die
Erfindung betrifft einen Schraubanker zur Befestigung von Werkstücken in
zylindrischen Aussparungen oder Bohrlöchern in festen Ankergründen wie
Beton, Naturstein oder Stahl gemäß Anspruch
1.
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Gattungsgemäße Schraubanker
sind als Kombination von Schrauben mit bekannten Kunststoffdübeln, z.
B. aus
DE 27 11 605
B , bekannt. Schraubanker in Verbindung mit bekannten Kunststoffdübeln haben
für die
Abtragung von Zuglasten den Nachteil, dass der erzielbare Form-
oder Reibungsverbund der Dübel
mit der Bohrlochwand begrenzt ist und somit keine hohen Ausreißkräfte erlaubt.
Dem versucht man zu begegnen, indem die Dübelstruktur zwischen Schraube
und Bohrlochwand möglichst
gut verdichtet und verspannt wird. Durch hochgradige Inkompressibilität des Kunststoffs
und dem entstehenden Reibungswiderstand zwischen Schraube und Dübel sind
diesem Bestreben jedoch enge Grenzen gesetzt. Selbst unter bestmöglicher Verdichtung
und Verspannung des Dübels
bleibt die Ausreißkraft
gering, weil die relativ weiche Außenfläche des Dübels an einer rauen Bohrlochwand
zerrieben wird.
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Mit
Offenlegungsschrift
DE
36 15 271 A1 ist eine Schraube für Kunststoff-Spreizdübel bekannt geworden,
bei der eine spezielle Gewindeausbildung ein zu tiefes Eindringen
des Schneidgewindes in die Dübelwandung
und damit eine Schwächung
der Dübelwandung
vermeiden soll.
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Mit
DE 102 09 873 A1 sind
einfache Dübelkonstruktionen
mit einem Sandwerkstoff bekannt geworden. Die als mit einem Sand-Wachsgemisch
gefüllten
Kunststoffröhrchen
konstruierten Dübel
können
jedoch als Teilelement für
einen Schraubanker aus verschiedenen Gründen in der Praxis nicht überzeugen.
Eine Realisierung oder Erprobung dort ebenfalls vorgeschlagener
Dübelkonstruktionen
mit Kunst- oder Naturfasern ist bisher nicht bekannt.
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Es
sind Schraubanker in Form von Mauer- oder Betonschrauben bekannt,
die ohne Zuhilfenahme eines zwischengeschalteten Dübelelementes
direkt in eine Bohrlochwand einschneidend eingeschraubt werden.
Außer
dass die Anwendungsmöglichkeiten
durch den verfahrensbedingt großen
Einschraubwiderstand insbesondere in harten Natursteinen und hochfesten
Betonen begrenzt ist, sind jegliche Verletzungen der Bohrlochwand
eine potentielle Rissquelle oder es besteht eine latente Bruchgefahr des
Ankergrundes infolge Kerbwirkung.
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Mit
der Offenlegungsschrift
DE
198 20 671 A1 ist eine selbstschneidende Schraube zum Einsatz in
Vollbaustoffen bekannt geworden, bei der die Schraube so vermörtelt werden
soll, dass die Schraube mit geringerem Kraftaufwand gesetzt werden kann
und sich zudem die Tragfähigkeit
erhöht.
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Mit
der Offenlegungsschrift
DE
44 14 765 A1 ist eine Schraubbefestigung bekannt geworden,
bei der eine selbstschneidende Schraube in eine exzentrische Dübelkonstruktion
derart eingebracht wird, dass ein Teil des Gewindes in die Bohrlochwand
und ein anderer Teil nur in die Dübelkonstruktion einschneidet.
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Es
sind Spreiz- oder Hinterschnittanker mit Spreizelementen aus Metall
für hohe
Ausreißkräfte bekannt,
die aber je nach Konstruktion Nachteile bei Bohrlochherstellung,
Handhabung oder Korrosionsverhalten haben oder relativ teuer sind.
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Um
eine Sicherung von Schraubverbindungen gegen selbsttätiges oder
ungewolltes Lösen
zu bewirken, sind entsprechend gestaltete Unterlegscheiben, Muttern
oder Kontersysteme bekannt. Zur Erzielung von Selbstsicherungseigenschaften
eines gattungsgemäßen Schraubankers
wäre nachteilig wenigstens
ein weiteres Konstruktionselement erforderlich.
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Ebenfalls
bekannt sind selbstsichernde Keilschrauben. Diese erfordern jedoch
ein entsprechend genau vorgefertigtes Gegengewinde z. B. aus Metall, was
zu gleichen Nachteilen führt
wie bei vorgenannten Spreiz- oder Hinterschnittankern.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen preisgünstigen, zuverlässigen und
einfach anzuwendenden selbstsichernden Schraubanker für hohe Ausziehkräfte zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch einen Schraubanker gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schraubankers sind in den
Unteransprüchen
angegeben.
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Wirkungsbild
und Wirkungsweise sowie praktische Ausgestaltung von erfindungsgemäßen Schraubankern
sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend beschrieben.
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Es
zeigen
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1 ein
zweidimensionales Funktionsmodell der Interaktion zwischen gewindeformendem Schraubabschnitt
des Ankerstabs, Dübelwerkstoff und
Ankergrund in drei ortsgleichen Ausschnitten aus einem erfindungsgemäßen Schraubanker,
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2 einen
Abschnitt einer Hälfte
eines längs
zweiteilig hergestellten erfindungsgemäßen Dübelelementes in axonometrischer
Darstellung,
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3 einen
schematisch in einem Längsschnitt
dargestellten erfindungsgemäßen Schraubanker
im eingebauten Zustand.
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In 1 sind
Ausschnitte aus dem Ankergrund 1, dem Dübelelement 2 und dem
Gewinde formenden Schraubenabschnitt 3 sowie analog dazu eine
aus der in der Geotechnik gebräuchlichen
Kinematische-Elemente-Methode (siehe z. B. „Grundbau-Taschenbuch", Vierte Auflage
Teil 1, Herausgeber Ulrich Smoltczyk, Ernst & Sohn Verlag,
Berlin 1990, Seite 437 ff.) entlehnten Darstellung eines Modells
für den
erfindungsgemäßen Schraubankermechanismus
schematisch dargestellt.
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Kennzeichnend
für den
erfindungsgemäßen Schraubanker
ist unter anderem die Anordnung einer Gleitschicht 4 zwischen
Schraube und Dübelwerkstoff,
die das Eindrehen der Schraube durch Verminderung der Reibungskräfte zwischen
Schraubenoberfläche
und Dübelinnenseite
erleichtert. Die Gleitschicht kann aus einer Kunststofffolie bestehen
oder bei der Herstellung der Sanddübel auf der Dübelinnenseite
aufgetragen sein. 2 zeigt eine solche erfindungsgemäße Anordnung
einer Gleitschicht 4 auf der Innenseite eines hälftigen
Dübelelementteils 2a.
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Der
linke Bildteil in 1 zeigt die Interaktion Schraube-Dübel-Ankergrund
in dem Moment, in dem die Schraube vollständig eingedreht aber nicht
axial belastet ist. Der Dübelsand 20 ist
zwischen Bohrlochwand 10, Gewinde- und Schaftoberfläche 30 der Schraube
verdichtet und komprimiert, die Gleitschicht 4 hat das
Einprägen
von Sandkörnern
in die Schraubenoberfläche 30 weitgehend
verhindert. Es kann vorteilhaft sein, die Gleitschicht 4 mit
einem viskosen Material in geeigneter Schichtdicke auszubilden und
die Schraube schnell einzudrehen, damit die Sandkörner nicht
genügend
Zeit haben, beim Einbringen der Schraube die Gleitschicht zu durchdringen.
Ein solches viskoses Material kann z. B. ein Thermoplast sein.
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3 zeigt
schematisch einen mit bekanntem Schraubenkopf 9 ausgestatteten
erfindungsgemäßen Schraubanker
nach dem Eindrehen des Schraubenabschnitts 3 in das Dübelelement 2.
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Der
mittlere Bildteil in 1 zeigt die Interaktion Schraube-Dübelwerkstoff-Ankergrund
in dem Zustand, dass das Gewindeprofil gegenüber dem Ankergrund 1 axial
nach oben verschoben ist. Für den
Zustand des Dübels 2 ist
es zunächst
unerheblich, ob die Verschiebung durch aktive Zugbelastung des Ankerstabs
oder durch Rotation mit gleichzeitiger Verhinderung der axialen
Einschraubbewegung erfolgt. Die Sandkörner 20 des Dübels 2 lagern
sich durch die dadurch aufgezwungenen Verformungen um. Gemäß den Theorien
der Bodenmechanik muss sich innerhalb des Dübelelements eine Scherfuge 5 einstellen,
deren Lage und etwaige Orientierung im mittleren Teil der 1 als
gestrichelte Linie dargestellt ist. Die Orientierung der Scherfuge
folgt a priori den aus der Bodenmechanik bekannten Mohr-Coulomb'schen Bruchgesetzen
für Sand
mit sehr hoher (Lagerungs-) Dichte. Sandkörner in der Grenzschicht zur
Schraube haben infolge des radialen Spreizdrucks die Gleitschicht 4 durchdrungen
und sich in die Schraubenoberfläche 30 eingeprägt.
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Der
rechte Bildteil in 1 zeigt ein vereinfachtes kinematisches
(mechanisches) Modell der im mittleren Bildteil gezeigten Verschiebungsphase.
Die Kinematik (Verformungs- oder
Bewegungsverhalten) entspricht aus bodenmechanischer Sicht dem "Erdwiderstand vor
einer Gewinderippe" und
aus befestigungstechnischer Sicht einem Spreizdübel bzw. einem echten Verbundanker.
Die "rau" dargestellte Kontaktkante 6 zwischen
Ankergrund und Dübel
soll verdeutlichen, dass zwischen Bohrlochwand im Ankergrund und
dem Dübelmaterial
im Betriebszustand (unterhalb der Auszugsgrenzlast) des Schraubankers
kei ne Verschiebung stattfindet und dadurch explizit ein (Mikro-Form-)Verbund
vorliegt. Im Gegensatz dazu sind die übrigen Berührkanten zwischen den Elementen 21, 22, 31 "glatt" dargestellt; entweder
weil tatsächlich
eine gegenseitige Verschiebung stattfindet (echte Scherfuge) oder
ein etwaiger Zwischenzustand zwischen "verschieblich" und "unverschieblich" für
das in 1 dargestellte Modell unbedeutend ist.
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Zur
möglichst
wirtschaftlichen Dimensionierung eines Schraubankers wird man die
Einbindetiefe der Schraube im Dübel
so wählen,
dass man die Schraube gerade noch gegen den Reibungswiderstand vollständig einschrauben
kann, ohne den Grenzwert der Torsionsfestigkeit der Schraube zu überschreiten.
(Dies gilt im übrigen
auch für
derartige Anwendung bekannter handelsüblicher Vollkunststoffdübel.)
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Bei
Verwendung von bekannten Kunststoffdübeln oder Spreizankern nimmt
beim Anspannen des Schraubankerkopfes gegen das zu befestigende Werkstück das Drehmoment
in etwa linear mit dem Verdrehwinkel zu, sodass eine aufgebrachte
axiale Vorspannkraft in etwa proportional zum aufgebrachten Drehmoment
ist.
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Überraschenderweise
gilt vorgenannte Regel bei erfindungsgemäßem Schraubanker nicht. Die Kinematik
des Sanddübels
bedingt nämlich,
dass infolge aktivierter Spreizkräfte die Sandkörner in
der Grenzfläche
zur Schraube hin die Gleitschicht durchdringen und sich in die Oberfläche des
Ankerstabs einprägen.
Damit verbunden ist eine drastische Erhöhung des Reibungswiderstandes
zwischen Schraube und Dübel,
sodass in der Folge das Drehmoment am Schraubankerkopf überproportional
zu Verdrehwinkel und Axialkraft zunimmt: Die Schraube "verriegelt". Ein weiteres Anspannen
nur durch Drehen des Ankerstabes gegen das Werkstück oder
den Ankergrund wird von der Torsionsfestigkeit (Abdrehgefahr) der
Schraube begrenzt. Dieses Verhalten ist besonders in Anwendungsfällen vorteilhaft,
wenn eine steife Dübelverbindung
gewünscht
ist, aber das Werkstück
mit Rücksicht
auf seinen Formerhalt nicht zu fest gegen einen weichen Untergrund – z. B.
eine plastische Dichtschicht – gespannt
werden soll.
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Darüber hinaus
ergeben sich für
erfindungsgemäßen Schraubanker – außer zur
Abtragung hoher Zugkräfte – zwei weitere
vorteilhafte Anwendungsfälle: Für den Fall,
dass keine definierte Vorspannung des Werkstücks gegen den Ankergrund erforderlich
ist, kann der Schraubanker im Extremfall mit maximal ertragbarem
Drehmoment angezogen werden. Wenn danach eine – auch kleine – axiale Zuglast
auf den Anker einwirkt, "verkeilt" sich der Schraubanker
durch weiteres Aufspreizen entsprechend oben beschriebener und in 1 dargestellter Kinematik.
Unter Last lässt
sich die Schraubverbindung dann nicht mehr lösen. Der Versuch, die Schraube
unter Last herausdrehen zu wollen, würde im Extremfall zum Abdrehen
der Schraube führen. Auf
keinen Fall wird sich die Schraube von selbst lösen, auch nicht unter dynamischer
Beanspruchung oder durch Vibration.
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Für den Fall,
dass eine gezielte Vorspannung oder eine Selbstsicherung auch ohne
zusätzliche Zuglasteinwirkung
erwünscht
ist, wird folgendes Einbringverfahren vorgeschlagen: In Abhängigkeit
von der Federsteifigkeit des Werkstücks 7 oder einer zusätzlich zwischengeschalteten
Feder 8 wird die Schraube 3 z. B. über den
Schraubankerkopf 9 bis zur gewünschten Vorspannkraft vorgedrückt, damit der
Schraubanker soweit wie gewünscht
eingedreht werden kann. Das Vordrücken sollte verfahrenstechnisch
kontinuierlich zunehmen, damit ein ebenso kontinuierliches, stetes
und zügiges
Einschrauben ermöglicht
wird. Das Vordrücken
sollte dabei so dosiert erfolgen, dass die erfindungsgemäße Keil-Kinematik
(Verkeilungsmechanismus) nicht automatisch in die entgegengesetzte
Achsrichtung des Gewinde formenden Schraubenabschnitts umschlägt und die Selbstverriegelung
versehentlich auf der "falschen" Gewindeseite einsetzt.
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Bei
Nachlassen der aktiven Vorschubkraft verriegelt der Schraubanker
in vorbeschriebener Weise durch die Federwirkung des Werkstücks oder der
zusätzlich
angeordneten Feder automatisch und sichert sich dadurch selbst.
Ein derart eingebrachter hochgradig vorgespannter Schraubanker lässt sich nur
unter Wiederaufbringen einer wohldosierten Vordruckkraft wieder
lösen.
Vorteilhafterweise erfolgt das Ausdrehen eines vorgespannten erfindungsgemäßen Schraubankers – umgekehrt
zum Einbau – mit
stetem Ausdrehen bei gleichzeitig kontinuierlich abnehmender Vordruckkraft.
Gegebenenfalls kann es sinnvoll sein, die Verriegelung durch einen
vor dem planmäßigen Ausbau
aufgebrachten Stoß – betraglich
in der Größenordnung
der maximalen Zuglast des Schraubankers – vorzulösen.
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Eine
vorteilhafte Anwendung kann sich z. B. bei Gleisrostbefestigungen
auf Betonfundamenten oder Schienenbefestigungen auf Querschwellen oder
Betonplatten ergeben, wenn eine – zur Ressourcenschonung vorteilhaft
kleine – Vorspannung
z. B. zur Lagesicherung des Gleisrostes gewünscht ist. Bei beispielhafter
Wahl einer Vorspannkraft von 5 kN kann man diese mit Gleisbaugeräten leicht
aufbringen, mit menschlicher Gewichtskraft jedoch nicht. Dadurch
ist es einem Menschen allein nicht ohne weiteres möglich, einen
solchen selbstsichernden Schraubanker zu lösen. Damit bieten erfindungsgemäße Schraubanker – einfach
aber wirkungsvoll – Schutz
gegen Vandalismus oder Diebstahl von Kleineisenteilen.