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Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen einer Vorspannung in ein rohrförmiges Hohlprofil.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Methoden oder Vorrichtungen bekannt, um rohrförmige Hohlprofile belastbarer gegen Zug- und Querkräfte zu machen. Als rohrförmiges Hohlprofil wird hierbei ein Profil verstanden, das in seinem Inneren zumindest zum Teil Hohl ist und dessen Länge um ein Vielfaches größer ist als seine Breite.
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Meist basieren die Methoden zur Erhöhung der Belastbarkeit auf Änderungen des Materials oder dem Aufbau des Hohlprofils. Stärker belastbare Materialien sind jedoch meist teurer und schwerer zu verarbeiten. Mit einer Änderung des Aufbaus bzw. des Designs des Hohlprofils muss das Hohlprofil auf den jeweiligen Einsatzzweck und die anzunehmende Belastung angepasst werden. Durch die Änderung des Designs, beispielsweise durch das Hinzufügen von Verstärkungsrippen, werden meist größere Mengen an Material benötigt. Die Hohlprofile sind durch die größeren Materialmengen schwerer und durch die Änderungen des Designs in der Herstellung komplexer.
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Methoden zur Erhöhung der Belastbarkeit, die auf Änderungen an Material oder Design beruhen, haben desweiteren den Nachteil, dass sie die Belastbarkeit der Hohlprofile nicht nachträglich erhöhen können. Bei einer gewünschten Erhöhung muss ein vorhandenes Hohlprofil ausgetauscht werden. Bei einem nachträglichen Austausch ist eine Einschränkung bezüglich des zur Verfügung stehenden Bauraums gegeben, was Änderungen des Designs erschwert und einschränkt.
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Andere Methoden, wie beispielsweise die Versteifung von Hohlprofilen mit Hilfe von Schienen, sind ebenfalls nachteilig, da die Stelle des potentiellen Versagens oder der Hauptbelastung bekannt sein muss. Wird das Hohlprofil über seine gesamte Länge geschient, entsteht dadurch ein hoher zusätzlicher Montageaufwand, hohes zusätzliches Gewicht und eine stark veränderte Optik. Schienen zur Erhöhung der Belastbarkeit müssen desweiteren an dem rohrförmigen Hohlprofil befestigt werden, was dafür vorgesehene Mittel an dem Hohlprofil, wie beispielsweise Löcher oder Gewindebohrungen, oder die mechanische Modifikation des Hohlprofils voraussetzt. Eine mechanische Modifikation, wie beispielsweise durch Bohren von Löchern, verändert wiederum die mechanischen Eigenschaften des Hohlprofils und macht es unter Umständen für den jeweiligen Einsatzzweck ungeeignet.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorbesagten Nachteile zu überwinden und eine Spannvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der die Belastbarkeit eines rohrförmigen Hohlprofils erhöhbar ist, ohne mechanische Änderungen an dem rohrförmigen Hohlprofil vorzunehmen, die Optik bzw. das Design des Hohlprofils zu verändern oder den Bauraum des rohrförmigen Hohlprofils zu erhöhen. Ferner soll die Spannvorrichtung einfach herzustellen und zu montieren sein.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Spannvorrichtung zum Einbringen einer Vorspannung in ein rohrförmiges Hohlprofil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die Spannvorrichtung umfasst hierzu ein in oder an dem rohrförmigen Hohlprofil anordenbares Ankerelement, ein in dem rohrförmigen Hohlprofil anordenbares Innenankerelement, eine zumindest zum Teil in dem Hohlprofil angeordnete Zugstange und ein Spannelement. Die Zugstange erstreckt sich zumindest von dem Innenankerelement zu dem Ankerelement und ist durch ein an dem Ankerelement angeordnetes Spannelement mit einer Zugkraft belastbar. Die Zugstange ist im montierten Zustand durch die Zugkraft belastet und stützt dadurch eine Druckkraft ab, die von dem Ankerelement und dem Innenankerelement auf das rohrförmige Hohlprofil aufgebracht wird.
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Das rohrförmige Hohlprofil steht damit zumindest zwischen dem Ankerelement und dem Innenankerelement unter Druck. Kommt es zu einer Zugbelastung in die Axialrichtung des rohrförmigen Hohlprofils, wird die Druckkraft durch die von außen angreifende Zugkraft reduziert, wodurch das rohrförmige Hohlprofil zunächst nicht auf Zug belastet wird. Das rohrförmige Hohlprofil, im Weiteren auch als das Hohlprofil bezeichnet, wird erst auf Zug belastet, sobald die von außen angreifende Zugkraft die Druckkraft übersteigt. Dadurch wird das Hohlprofil stärker mit Zugkräften belastbar.
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Im Falle einer Belastung mit einer Querkraft des Hohlprofils kommt es ohne die Spannvorrichtung erst zu einer Durchbiegung des Hohlprofils mit elastischer Verformung, bei weiterer Belastung kommt es zu einer Durchbiegung des Hohlprofils mit plastischer Verformung und dann zu einem Bruch des Hohlprofils. Durch die Spannvorrichtung, deren Zugstange in einer neutralen Faser bzw. in einer Nulllinie der Durchbiegung liegt, werden Zugkräfte außerhalb der neutralen Faser ausgeglichen. Bei der Belastung mit einer Querkraft bzw. bei Belastung in Querrichtung entstehen in den Randbereichen des Hohlprofils Zugkräfte, die das Material des Hohlprofils auseinanderziehen. Dies geschieht zunächst elastisch, bei dem Erreichen der Elastizitätsgrenze plastisch. Das Hohlprofil biegt sich in dem elastischen und dem plastischen Bereich zunächst durch und reißt dann auf der von dem Einleitungspunkt der Querkraft abgewandten Seite auf. Das Aufreißen wird durch die in dem Randbereich wirkenden Zugkräfte verursacht. Die Spannvorrichtung gleicht die Zugkräfte aus und erhöht damit den Bereich der elastischen und der plastischen Verformbarkeit des Hohlprofils. Das Hohlprofil ist durch die Spannvorrichtung im Vergleich zu einem Hohlprofil ohne Spannvorrichtung höheren Kräften aussetzbar, wobei sich der elastische und der plastische Bereich vergrößert und es erst später zu einem Riss bzw. Bruch in dem Hohlprofil mit Spannvorrichtung kommt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Spannelement eine Mutter oder eine Rändelmutter. Zwischen der Mutter bzw. der Rändelmutter und dem Ankerelement sind Elemente, wie beispielsweise Unterlegscheiben, zur besseren Krafteinleitung und Kraftverteilung einbringbar.
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Von Vorteil ist ferner eine Ausbildungsvariante, bei der das Ankerelement eine zylinderförmige Platte oder eine auf den Querschnitt des Hohlprofils angepasste oder ihm in seiner Querschnittsform entsprechenden Platte ist. Die Platte bildet in einem Zentrum einer ersten Fläche einen zylinderförmigen Vorsprung aus. Das Zentrum liegt in der Nulllinie bzw. neutralen Faser einer Durchbiegung des Hohlprofils, sodass die Zugstange durch die Platte in der neutralen Faser gehalten wird. Der zylinderförmige Vorsprung ist alternativ auf den Querschnitt des Hohlraums in dem Hohlprofil anpassbar und beispielsweise eckig oder oval ausbildbar. Durch die dem Hohlprofil entsprechende Form kann der Anker an einer Endfläche in Axialrichtung des Hohlprofils mit seinem Vorsprung in das Hohlprofil eingesteckt werden, wodurch die Position des Ankerelements im Zentrum des Querschnitts bzw. in der neutralen Faser gehalten wird. In einem Zentrum einer der ersten Fläche gegenüber liegenden zweiten Fläche ist ein sich durch die zylinderförmige Platte und den zylinderförmigen Vorsprung erstreckendes Durchgangsloch ausgebildet. Das Durchgangsloch dient dem Durchführen der Zugstange durch das Ankerelement. Das Durchgangsloch erstreckt sich entlang der neutralen Faser des Hohlprofils.
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Erfindungsgemäß ist das Innenankerelement ein Spannanker, wobei zusätzlich auch das Ankerelement als ein Spannanker ausgebildet sein kann. Der Spannanker umfasst eine Gewindestange, eine Spannmutter, einen ersten und einen zweiten Hohlzylinder mit jeweils einer Gleitfläche. Ist das Ankerelement ein Spannanker, erstreckt sich die Zugstange in dem Inneren des Hohlprofils von dem als Spannanker ausgebildeten Innenankerelement zu dem als weiteren Spannanker ausgebildeten Ankerelement.
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Ferner ist die Gleitfläche des ersten Hohlzylinders komplementär zu der Gleitfläche des zweiten Hohlzylinders ausgebildet und die Gleitflächen sind einander zugewandt. Die Gleitflächen schließen zwischen sich und der Längsachse des jeweiligen Hohlzylinders einen Winkel ein, wobei sich die Winkel einander zu 90° ergänzen. Der erste und der zweite Hohlzylinder sind in ihre Längsrichtung gegeneinander durch die Gewindestange und die Spannmutter verschieblich. Die Gewindestange ist an dem ersten Hohlzylinder fixiert und erstreckt sich durch den zweiten Hohlzylinder hindurch. Die beiden Gleitflächen liegen aufeinander auf. Die Spannmutter greift in die Gewindestange ein und drückt den ersten Hohlzylinder gegen den zweiten Hohlzylinder, sodass der erste und der zweite Hohlzylinder im Wesentlichen einen Hohlzylinder bilden. Der Innendurchmesser des ersten und des zweiten Hohlzylinders ist größer als der Durchmesser der Gewindestange, sodass sich der erste und der zweite Hohlzylinder bei ihrer Längsbewegung zueinander an ihren Gleitflächen radial nach außen verschieben. Liegt der Hohlzylinder in dem Hohlprofil, werden die Außenflächen des ersten und des zweiten Hohlzylinders radial gegen das Innere des Hohlprofils gedrückt und der Spannanker kraftschlüssig an dem Hohlprofil fixiert. Der Spannanker nimmt durch die Verschiebung der Gleitflächen gegeneinander in die Radialrichtung einen größeren Bauraumbedarf ein, als der erste oder der zweite Hohlzylinder jeweils alleine einnimmt.
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Ferner ist von Vorteil, dass bei einer Ausgestaltungsvariante die Zugstange eine weitere Gewindestange ist und ein Spannelement in die weitere Gewindestange eingreift und auf einer von dem Innenankerelement abgewandten Seite des Ankerelements an dem Ankerelement anliegt. Dadurch kann das Ankerelement auf das Innenankerelement zubewegt werden. Da das Hohlprofil eine weitere Bewegung des Ankerelements zu dem Innankerelement blockiert, wird in der Zugstange eine Zugkraft und in dem Hohlprofil eine Druckkraft aufgebaut.
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Vorteilhaft ist bei einer Ausgestaltungsvariante, dass entlang der Zugstange zumindest eine Abstandshülse gegenüber der Zugstange ortsfest angeordnet ist. Die Abstandshülse hält den Abstand der Zugstange in dem Hohlprofil in eine radiale Richtung zu dem Hohlprofil konstant. Dadurch liegt die Zugstange bei einer Biegung bzw. Durchbiegung des Hohlprofils weiterhin in der neutralen Faser und übt keine zusätzlichen Zugkräfte auf die von der Einleitungsstelle abgewandten Randbereiche aus, in denen das Hohlprofil in einem Versagensfall einreißt bzw. bricht. Eine Vielzahl von Abstandshülsen ist zueinander in regelmäßigen Abständen anordenbar, wodurch die Zugstange über ihre gesamte Länge in der neutralen Faser liegt.
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Eine Ausbildungsform ist von Vorteil, bei der die Zugstange an dem Innenankerelement fixiert ist. Das Fixieren ist beispielsweise stoffschlüssig, wie durch Schweißen, ausführbar.
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Vorteilhaft ist ferner, dass bei einer Ausbildungsvariante die Zugstange an dem Innenankerelement in eine Axialrichtung fixiert ist und das das Spannelement an dem Ankerelement fixiert ist. Die Zugstange lässt sich um ihre Längsachse weiterhin drehen. Dadurch, dass das Spannelement an dem Ankerelement fixiert ist, ist der Druck auf das Hohlprofil durch das Drehen der Zugstange aufbringbar und nicht durch das Drehen des Spannelements.
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Durch Drehen der Spannmutter mit einer Außenfläche des Spannankers ist der Spannanker gegen das rohrförmige Hohlprofil verspannbar.
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Vorteilhaft ist auch ein Verfahren bei dem die Zugstange durch Drehen des Spannelements oder der Zugstange auf Zug belastet wird, wodurch das Spannelement über das Ankerelement eine Druckkraft auf das rohrförmige Hohlprofil aufbringt.
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 ein rohrförmiges Hohlprofil mit einem Ankerelement;
- 2 eine Schnittansicht eines rohrförmigen Hohlprofils mit einem Ankerelement und einem Spannanker;
- 3 eine Schnittansicht eines rohrförmigen Hohlprofils mit einem Ankerelement und einem Innenankerelement;
- 4 eine räumliche Darstellung eines Spannankers;
- 5 eine Schnittansicht durch einen Spannanker.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
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Die 1 zeigt ein rohrförmiges Hohlprofil 1 in einer Seitenansicht. An einer Stirnseite in Längsrichtung des Hohlprofils 1 ist ein als zylinderförmige Platte 10 ausgebildetes Ankerelement angeordnet. Die zylinderförmige Platte 10 wird durch das als Mutter 2 ausgebildete Spannelement gegen die Stirnfläche des Hohlprofils 1 gepresst.
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In 2 ist ein rohrförmiges Hohlprofil 1 wie in 1 abgebildet. Die 2 zeigt das Hohlprofil 1 in einer Schnittdarstellung, wodurch neben der Platte 10 und der Mutter 2 auch die Gewindestange 3 zu sehen ist, die durch ein Durchgangsloch durch die zylinderförmige Platte 10 geführt ist und sich von außerhalb der zylinderförmigen Platte 10 in das Hohlprofil 1 in Spannanker 20 erstreckt. Die Gewindestange 3 wird durch ein Gewinde in dem ersten Hohlzylinder 21 des Spannankers 20 gehalten. Die Spannmutter 25 presst den zweiten Hohlzylinder 22 mit seiner Gleitfläche 24 gegen die Gleitfläche 23 des ersten Hohlzylinders 21. Durch das aufeinander Pressen der Gleitflächen 23, 24 schieben sich der erste Hohlzylinder 21 und der zweite Hohlzylinder 22 nach außen und stellen mit der Innenfläche 5 des Hohlprofils 1 eine kraftschlüssige Verbindung her. Auf die Gewindestange 3 ist eine Abstandshülse 4 angeordnet, die gegenüber der Gewindestange 3 fixiert ist, sodass sie nicht verrutscht und ihre Position beibehält. Bei einer Durchbiegung des Hohlprofils 1 folgt die Gewindestange 3 durch die Abstandshülse 4 der Form des Hohlprofils 1. Die Gewindestange 3 befindet sich stets in der neutralen Faser, so dass durch die Gewindestange nur reine Druckkräfte und keine sonstigen Kräfte auf das Hohlprofil 1 aufgebracht werden. Die Mutter 2 bringt die Zugkraft in die als Gewindestange 3 ausgeführte Zugstange ein und presst die zylindrische Platte 10 gegen die Stirnfläche des rohrförmigen Hohlprofils 1. Die zylinderförmige Platte 10 wird durch den zylinderförmigen Vorsprung 11 gegenüber dem rohrförmigen Hohlprofil 1 zentriert, indem eine Mantelfläche des zylinderförmigen Vorsprungs 11 an der Innenfläche 5 des Hohlprofils 1 anliegt.
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In 3 ist ein rohrförmiges Hohlprofil wie in 2 gezeigt. In 3 wurde jedoch als Innenankerelement kein Spannanker verwendet, sondern eine Gegenplatte 26, die die Gewindestange 3 durch eine Gegenmutter 27 auf Zug belastet. Das in 3 dargestellte Hohlprofil ist kurz, sodass auf eine Abstandshülse 4 verzichtet wurde, da bei kurzen Hohlprofilen die Durchbiegung des Hohlprofils bis zum Bruch vernachlässigbar ist.
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Eine Detailabbildung des Spannankers 20 ist in 4 dargestellt. Durch die räumliche Darstellung ist sichtbar, dass der erste Hohlzylinder 21 mit seiner Gleitfläche 23 gegenüber dem zweiten Hohlzylinder 22 und dessen Gleitfläche 24 angeordnet ist. Die Gleitflächen bilden jeweils zu der Längsachse des jeweiligen Hohlzylinders einen Winkel von 45° aus, so dass sich beide Winkel zu einem 90° Winkel ergänzen. Werden der erste und der zweite Hohlzylinder 21, 22 durch die Spannmutter 25 gegeneinander gedrückt, verschieben sich die Hohlzylinder 21, 22 radial nach außen.
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Die 5 zeigt den ersten und zweiten Hohlzylinder 21, 22 und die Spannmutter 25 im Schnitt. In 5 ist der Hohlzylinder der durch den ersten und zweiten Hohlzylinder 21, 22 gemeinsam gebildet wird gut zu erkennen. Ebenso gut erkennbar ist das Innengewinde 28 zur Aufnahme der Gewindestange. Die Innendurchmesser des ersten und zweiten Hohlzylinders 21, 22 sind größer als der Außendurchmesser der Gewindestange um die Verschiebung des ersten und zweiten Hohlzylinders radial nach außen zu ermöglichen.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise ist ein Innenankerelement auch innerhalb des Hohlprofils in einem Bereich des erwarteten Versagens einbringbar, um so den Bereich zu verstärken.
