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Die Erfindung betrifft eine Verbindung für Gebirgsanker zum Einsatz im Berg-, Tunnel- oder Spezialtiefbau mit einem ein Innengewinde aufweisenden Verbindungselement zum Aufschrauben auf einen mit einem Außengewinde versehenen Abschnitt eines Gebirgsankers.
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Derartige Gebirgsanker werden im Berg-, Tunnel- oder Spezialtiefbau oder verwandten Bereichen eingesetzt, um das Gebirge zu verfestigen. Dabei sind für mehrere Anwendungsfälle Verbindungselemente notwendig. Erfordert es etwa die Tiefe des für das Einsetzen des Gebirgsankers vorgesehenen Bohrlochs, werden zwei oder mehr Gebirgsanker über ein als Kupplung ausgebildetes Verbindungselement miteinander verbunden. Insbesondere wenn die Anker zusätzlich vorgespannt werden sollen, werden in einer anderen Anwendung sogenannte Kalottenplatten als Unterlegplatten verwendet, durch die das Ende der Gebirgsanker hindurchgeführt wird. Über ein als Ankermutter ausgebildetes Verbindungselement erfolgt dann die Fixierung des Ankers. Passend zu dem auf den Gebirgsankern zumindest abschnittsweise vorgesehenen Außengewinde verfügen Verbindungselemente wie z. B. die angesprochenen Kupplungen oder Muttern über ein identisches, als Rundgewinde ausgebildetes Innengewinde. Diese Art der Verbindung über zwei identische Rundgewinde ist unter vielerlei Gesichtspunkten nachteilig. So entstehen insbesondere hohe Spreiz- oder Sprengkräfte auf die Verbindungselemente, welche dazu neigen, dieses auseinanderzudrücken. Dieser Beanspruchung muss zwangsläufig durch die Ausbildung des Verbindungselementes entgegengewirkt werden. Dies geschieht durch entsprechend große Dimensionierung der Verbindungselemente in Länge und Materialstärke, durch die Wahl eines besonders hohen Belastungen standhaltenden Stahls zur Herstellung der Verbindungselemente oder durch eine vorherige Härtung dieser Verbindungselemente. All diesen Lösungen für die Ausbildung von Verbindungselementen ist gemeinsam, dass sie kosten- bzw. materialintensiv sind.
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Insofern stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, eine Verbindung für Gebirgsanker zum Einsatz im Berg- oder Tunnelbau zu schaffen, die sich durch den Einsatz von vergleichsweise einfach bauenden und damit günstig herzustellenden Verbindungselementen auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbindung zwischen dem als Rundgewinde ausgebildeten Außengewinde der Gebirgsanker und dem einen polygonartigen Querschnitt aufweisenden Innengewinde des Verbindungselementes gelöst.
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Die Erfindung bringt also jeweils Bauteile mit zwei unterschiedlich ausgebildeten Gewindearten mit einer erheblich verbesserten Kraftübertragung zusammen. Das zumindest abschnittsweise auf dem Gebirgsanker vorgesehene Rundgewinde wird kombiniert mit einem korrespondierenden Innengewinde an dem Verbindungselement, mit dem dieses auf den Gebirgsanker aufgeschraubt wird. Dieser verfügt jedoch nicht, wie bisher üblich, ebenfalls über ein Rundgewinde sondern eben über einen polygonartigen, symmetrischen oder asymmetrischen Querschnitt. Beide Gewinde korrespondieren dahingehend miteinander, dass die auf das Verbindungselement wirkenden Kräfte auf besonders vorteilhafte Weise aufgenommen bzw. umgeleitet werden können. Insbesondere werden die ansonsten auf das Verbindungselement ausgeübten Radialkräfte weitestgehend vermieden, welche dazu neigen, das Verbindungselement auseinanderzudrücken bzw. zu sprengen. Stattdessen werden diese Kräfte dank der Verzahnung der beiden Gewindetypen weitgehend in Axial- bzw. Scherkräfte umgelenkt. Dies führt insgesamt dazu, dass ein solches Verbindungselement wesentlich einfacherer bauen kann, was sich in Bezug auf Dimensionierung, Länge, Gewicht Materialstärke und/oder -wahl vorteilhaft auswirkt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform in Bezug auf das Verbindungselement sieht vor, dass es sich bei diesem um eine Kupplung zur Verbindung von zwei Gebirgsankern handelt, wobei die Kupplung ein Innengewinde zum Einschrauben von zwei aus einander gegenüber liegenden Richtungen in die Kupplung einsetzbaren Gebirgsankern aufweist. D. h. solch eine Kupplung dient zur Verlängerung von Gebirgsankern, wobei aus unterschiedlichen Richtungen jeweils ein Gebirgsanker in die Kupplung eingesetzt wird. Dabei verzahnt sich das Innengewinde des als Kupplung oder Muffe ausgebildeten Verbindungselementes mit dem Außengewinde des Gebirgsankers mit den bereits beschriebenen vorteilhaften Auswirkungen.
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Es wurde bereits angesprochen, dass mit der erfindungsgemäßen Lösung eine besonders innige Verbindung zwischen den unterschiedlichen Gewindetypen erreicht werden kann. Passend zu dem Rundgewinde auf dem Gebirgsanker weist dabei das Innengewinde der Kupplung Gewindegänge mit einem asymmetrischen Querschnitt auf. In diesem Zusammenhang macht sich die Erfindung in vorteilhafter Weise zu Eigen, dass die Kupplungen von der jeweiligen Seite aus betrachtet nur eine Einsetzrichtung für die jeweiligen Gebirgsanker kennen, d. h. das Innengewinde in dem Verbindungselement kann so eingerichtet werden, dass nur das Einschrauben in eine Richtung möglich ist. Dies bringt dann die Ausbildung der Gewindegänge mit asymmetrischem Querschnitt und einer damit einhergehenden deutlich verbesserten Verzahnung von Innen- und Außengewinde mit sich.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Innengewinde der Kupplung einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, welcher symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet sein kann. Konkret sieht dies z. B. so aus, dass das Innengewinde der Muffe eine vordere, eine mittlere und eine hintere Flanke aufweist. In einer Ausführungsform, bei der die vordere und die hintere Flanke asymmetrisch zueinander angeordnet sind, führt dies zu dem insgesamt asymmetrisch ausgebildeten Querschnitt des Profils. Damit ergibt sich eine Art von Widerhaken, was praktisch dazu führt, dass sich das Innengewinde des Verbindungselementes in dem Rundgewinde des Ankers festfrisst. Jeglicher Schlupf ist damit weitgehend minimiert. Auf diese Weise kann die angesprochene Umleitung der Kräfte unter weitestgehender Vermeidung von Kraftspitzen und einer gleichmäßigen Belastung auf das Verbindungselement in besonders geeigneter Weise erreicht werden.
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Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführungsform für das Verbindungselement erwiesen, bei dem das Innengewinde, in Einführrichtung der Gebirgsanker betrachtet und auf die Längsachse der Kupplung bezogen, zumindest annähernd eine in rechtem Winkel angeordnete vordere Flanke, eine parallel angeordnete mittlere Flanke und/oder eine in einem Winkel von 10°–45°, vorzugsweise ca. 20°–30° angeordnete hintere Flanke aufweist.
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Schließlich sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, dass die hintere Flanke in einem Winkel von ca. 25° in Bezug auf die Längsachse der Kupplung angeordnet ist.
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Das Gehäuse der Kupplung an sich sollte symmetrisch ausgebildet sein, d. h. das Innengewinde der Kupplung in Bezug auf ihre Querachse ist symmetrisch angeordnet, so dass die Anker aus beiden Richtungen bis in die Mitte der Kupplung eingesetzt werden können.
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In dieser Hinsicht ist auch der Vorschlag zu verstehen, wonach das Innengewinde der Kupplung oder Muffe mittig einen das Einführen der Gebirgsanker begrenzenden Versatz aufweist. Dieser gewährleistet einerseits, dass beide Gebirgsanker in gleichem Maß aus beiden Richtungen in die Kupplung eingesetzt werden können. Andererseits ist diese Begrenzung auch sinnvoll, um das besprochene Zusammenspiel des Rundgewindes auf den Ankern und des Innengewindes in der Kupplung wegen dessen asymmetrischer und auf das Einsetzen der Gebirgsanker gerichteten Gewindequerschnitts zu gewährleisten.
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Die Erfindung ist auch in Zusammenhang mit als Muttern ausgebildeten Verbindungselementen realisierbar, wobei die Mutter als Verbindungs- bzw. Befestigungselement z. B. beim Vorspannen der Gebirgsanker dient, d. h. dass es sich bei dem Verbindungselement um eine Mutter mit Innengewinde zur Fixierung auf dem Gebirgsanker handelt. Was dieses Bauteil betrifft, ist die Erfindung insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass neben einer möglichen verkürzten, dünneren bzw. leichteren Ausbildung das bisher notwendige Härten der Mutter dank der günstigeren Krafteinleitung bzw. -verteilung entfallen kann.
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In Bezug auf Muttern als Verbindungs- bzw. Befestigungselement erfordert es die beschriebene Anwendung, dass diese in beide Richtungen benutzt werden können müssen. Dies liegt an einer speziellen Anforderung, nach der die Mutter an einer Seite über einen Toleranz- bzw. Winkelausgleich verfügt. In diesem Sinne ist solch eine für Ankerstangen vorgesehene Mutter auf beiden Seiten unterschiedlich, nämlich auf der einen Seite in strengem rechten Winkel zur Längsachse der Mutter und auf der anderen Seite an den Ecken abgerundet zum Ausgleich von Toleranzen beim Einsetzen des Ankers in die Bohrung ausgebildet. Das Innengewinde der Mutter weist folglich Gewindegänge mit einem symmetrischen Querschnitt auf, um das Einsetzen der Anker in beide Richtungen zu ermöglichen.
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Was die Wahl des symmetrischen Querschnitts betrifft, schlägt die Erfindung vor, dass das Innengewinde der Mutter einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verbindungselement für Gebirgsanker zum Einsatz im Berg-, Tunnel- oder Spezialtiefbau mit einem Innengewinde zum Aufschrauben auf einen mit einem Außengewinde versehenen Abschnitt eines Gebirgsankers. Das Verbindungselement weist dabei ein Innengewinde mit polygonartigem Querschnitt auf.
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Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Verbindung für Gebirgsanker zum Einsatz im Berg- oder Tunnelbau und ein entsprechendes Verbindungselement geschaffen sind, die wesentlich einfacher und damit kostengünstiger bauen als bisher bekannte. Dies liegt an einer erheblichen Materialersparnis durch kürzer, dünner und/oder leichter bauende Verbindungselemente zwischen miteinander zu verbindenden Gebirgsankern oder zur Befestigung von Gebirgsankern. Alternativ oder ergänzend dazu ist es möglich, qualitativ weniger anspruchsvolle Stahlsorten zur Herstellung dieser Verbindungselemente zu verwenden. Machbar ist dies dank einer besonders guten, praktisch schlupflosen Verzahnung zwischen den Verbindungselementen und den Gebirgsankern und einer verbesserten Verteilung der Kraftkomponenten von einer in Radialrichtung wirkenden Sprengkraft in Richtung axialer und/oder Scherkräfte. Dabei greift das Innengewinde des Verbindungselementes besonders effektiv in das Rundgewinde der Gebirgsanker ein und frisst sich dort gewissermaßen fest. Dies gilt sowohl bei Verbindungselementen zur Verbindung von Gebirgsankern untereinander durch ein symmetrisches oder asymmetrisches, vorzugsweise ein trapezförmig ausgebildetes Gewinde, als auch für Muttern zur Befestigung der Gebirgsanker in Form eines symmetrisch ausgebildeten Querschnitts des Gewindes.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:
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1 eine Kupplung im Querschnitt,
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2 einen Gewindegang,
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3 zwei in eine Kupplung eingesetzte Gebirgsanker
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4 die Draufsicht auf eine Mutter und
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5 den Querschnitt durch diese Mutter.
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1 zeigt den Querschnitt durch ein als Kupplung 2 oder Muffe ausgebildetes Verbindungselement 1. Die Kupplung 2 ist in Bezug auf ihre Querachse 21 symmetrisch, d. h. in Bezug auf die beiden mit den Pfeilen 14 und 15 bezeichneten Einführrichtungen identisch ausgebildet. Mittig in dem Innengewinde 8 ist ein Versatz 22 vorgesehen, welcher das Einführen in die Richtungen 14, 15 begrenzt. Die Gewindegänge 16, 16' ihrerseits verfügen über ein in diesem Ausführungsbeispiel trapezförmig ausgebildetes Profil, das eine besonders gute Verzahnung mit dem Rundgewinde der Gebirgsanker und damit eine verbesserte Kraftverteilung ermöglicht. In Einführrichtung 14, 15 der Gebirgsanker betrachtet und auf die Längsachse 20 der Kupplung 2 bezogen, ist die hintere Flanke 19 dieses Profils in einem Winkel von ca. 25° angeordnet, um eine besonders optimale Verzahnung zu gewährleisten. Rechts unten in der Darstellung gemäß 1 ist ein mit X bezeichneter Ausschnitt zu erkennen.
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Dieser Ausschnitt ist dann vergrößert in 2 dargestellt, wobei der Schwerpunkt hier auf der Darstellung des trapezförmigen Profilabschnitts liegt. In Richtung 15 betrachtet weist solch ein Gewindegang 16 zunächst eine zumindest annähernd im rechten Winkel angeordnete vordere Flanke 17 auf, die dann in eine parallel zur Achse 20 angeordnete mittlere Flanke 18 und schließlich in die hintere Flanke 19 übergeht.
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In 3 ist in die Kupplung 2 aus den jeweiligen Richtungen 14, 15 ein Gebirgsanker 4, 5 eingesetzt. Diese Anker stoßen im Bereich des mittigen Versatzes 22 aneinander. Gut erkennbar ist in dieser Darstellung das Zusammenspiel des Außengewindes 10, 11 der jeweiligen Gebirgsanker 4, 5 in Form des zumindest auf den hier gezeigten Endabschnitten 6, 7 ausgebildeten Rundgewindes 12, 13 einerseits und des Innengewindes 8 mit trapezförmigem Querschnitt andererseits. Dieses Zusammenspiel ermöglicht eine gute Verzahnung zwischen den beiden Gewinden 8, 10 und damit eine wesentlich bessere Verteilung der Kräfte. Diese macht sich u. a. dadurch bemerkbar, dass Kraftspitzen deutlich reduziert bzw. vermieden werden und dass die entstehenden Kräfte weitestgehend in axialer Richtung 20 bzw. als Scherkräfte umgeleitet werden. Damit ist eine deutliche Reduzierung der Dimensionierung solch einer Kupplung 2 und/oder die Auswahl eines weniger teuren Stahls zur Herstellung solch einer Kupplung 2 denkbar.
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4 zeigt ein als Mutter 3 ausgebildetes Verbindungselement 1 mit Innengewinde 9, wie sie auf Gebirgsankern zur Befestigung mit Kalottenplatten bzw. zum Aufbringen einer Vorspannung eingesetzt werden kann.
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Nach einer Linie A-A gemäß 4 zeigt 5 den Schnitt durch solch eine Mutter 3. Dabei wird deutlich, dass es sich um ein Bauteil mit einem Gewinde 9 mit symmetrischem Querschnitt handelt. Die Mutter selbst ist an einem Ende 23 eckig, sprich rechteckig ausgebildet ist und weist am anderen Ende 24 Abrundungen 25, 26 als Toleranzausgleich bei einem nicht vollständig rechtwinkligen Sitz des Ankers in dem Bohrloch auf. Da solch eine Mutter folglich so ausgebildet ist, dass sie in beide Richtungen Gebirgsanker aufnehmen können muss, ist ihr Innengewinde 9 im Profil symmetrisch ausgebildet, um eben den Einsatz eines Gebirgsankers in beide Richtungen zu ermöglichen. Dieser Querschnitt des Innengewindes 9 ist hier im Wesentlichen rechteckförmig.
