DE102017200671A1

DE102017200671A1 - Pfeiler mit lastverzweigendem Knoten und einstellbaren Auslaufwinkel

Info

Publication number: DE102017200671A1
Application number: DE102017200671.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Brüggenbrock; Andreas COTT; Stephan Drewes; Lothar Patberg; Marcus Rauhut; Ingo Rogner; Ralf Stegmeyer; Klaus Plaumann
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2018-07-19
Also published as: WO2018134180A1; US20190376244A1; CN110177910A; EP3571353A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Freipfeiler (1) mit einem Schaft (2), einem am oberen Ende des Schafts vorgesehener Verzweigungsknoten (3) und mindestens zwei Kragarmen (4), die jeweils an einem Ende mit dem Verzweigungsknoten verbunden sind und am anderen Ende den Überbau (5) tragen, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verzweigungsknoten (3) eine Kuppelfläche (31) und eine der Anzahl der Kragarme (4) entsprechende Anzahl von Kragarmanbindungen (32) umfasst, und dass die Kragarmanbindungen (32) derart angeordnet sind, dass sich die Mittelachsen der Kragarmanbindungen (32) und des Schafts (2) in einem gemeinsamen Schnittpunkt treffen.

Description

Technisches Gebiet (Technical Field)
Im Bauwesen sind für die Abstützung höher gelegener Bauelemente Pfeiler seit langem bekannt. Üblicherweise werden diese in Form von Säulen ausgeführt, die von der Basis bis zum Überbau einen einheitlichen Querschnitt oder einen Anzug, also eine Verjüngung, aufweisen. Für die Abstützung von Überbauten mit großflächigerer Erstreckung ist eine lastverzweigte Struktur mit vergrößerter Stützweite notwendig, die Kräfte von einer größeren Fläche auf den Pfeiler leitet, sofern der Überbau nicht selbsttragend ausgeführt ist oder dynamische Lasten auftreten. Hierfür ist die Verwendung von Querriegeln bzw. Auflagerbalken, insbesondere in Verbindung mit mehreren Säulen oder die Verwendung von Fachwerkstrukturen üblich.
Technischer Hintergrund (Background Art)
Aus der CN 102259166 A ist ein kugelförmiger Gussknoten bekannt, an dem mehrere Anbindungsflansche über die Oberfläche verteilt sind, um die Anbindung von Streben zu ermöglichen. Dieser Gussknoten ist insbesondere für die Anwendung in Fachwerkkonstruktionen vorgesehen. Nachteilig ist hierbei allerdings die aufwendige Herstellung und das unflexible Design, also die fehlende Möglichkeit später Anpassung an der Positionierung, Größe und Anzahl der Anbindungsflansche vorzunehmen, da die Winkel und Positionen je nach Ausführung der jeweiligen Anwendung unterschiedlich sein können.
Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, einen Pfeiler bereitzustellen, der eine vergrößerte Stützweite aufweist und flexibel an die Gegebenheiten der jeweiligen Anwendung anpassbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, die vorgenannte Aufgabe mit möglichst gleichen bzw. gleichartigen Bauteilen und einem möglichst geringen Platzbedarf zu erreichen.
Nebenaufgaben sind ein ästhetisches Erscheinungsbild sowie eine kostengünstige Herstellbarkeit.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Freipfeiler, im Folgenden auch allgemein als Pfeiler bezeichnet, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Freipfeiler mit einem Schaft, einem am oberen Ende des Schafts vorgesehener Verzweigungsknoten und mindestens zwei Kragarmen, die jeweils an einem Ende mit dem Verzweigungsknoten verbunden sind und am anderen Ende den Überbau tragen, dadurch gekennzeichnet ist, dass der Verzweigungsknoten eine Kuppelfläche und eine der Anzahl der Kragarme entsprechende Anzahl von Kragarmanbindungen umfasst, und dass die Kragarmanbindungen derart angeordnet sind, dass sich die Mittelachsen der Kragarmanbindungen und des Schafts in einem gemeinsamen Schnittpunkt treffen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein relativ filigranes Aussehen der Pfeilerkonstruktion erreicht werden, insbesondere bei der Verwendung von Stahl als Werkstoff. Somit wird nur eine verhältnismäßig kleine Aufstellfläche benötigt und es entsteht, vor allem in Verbindung mit einem entsprechenden ebenfalls relativ filigranen Überbau, nur eine geringe Verschattung der darunterliegenden Bereiche.
Bevorzugte Ausführungsformen des Pfeilers sind dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppelfläche eine Form aufweist, die mindestens zu einer durch die Mittelachse des Schafts laufenden Symmetrieebene symmetrisch oder zur Mittelachse des Schafts rotationssymmetrisch ist. Hierbei entstehen Formen, wie Pyramiden, Kegel und Kuppeln, was eine entsprechend symmetrische Anordnung der Kragarme bzw. der Kragarmanbindungen ermöglicht. Der symmetrische Aufbau um die Mittelachse verbessert die Krafteinleitung auf den Schaft, wodurch der Kraftfluss optimiert werden kann. Abhängig von der Ausgestaltung und den Designanforderungen können die Formen der Kuppelfläche gerundete Kanten aufweisen und/oder z.B. als Pyramiden- oder Kegelstumpf ausgebildet sein. Mit dieser Ausbildung werden die Flächen vereinfacht, mit denen die Kragarmanbindungen mit der Kuppelfläche verbunden sind. Bei beispielsweise ellipsoiden Kuppelflächen kann dennoch ein 3D-Beschnitt notwendig sein.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Pfeilers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppelfläche im Wesentlichen in Form eines Kugelsegments ausgebildet ist, und dass die Kragarmanbindungen über kreisringförmige Flächen mit der Kuppelfläche verbunden sind, wodurch der gemeinsame Schnittpunkt der Mittelachsen im Zentrum des Kugelsegments liegt. Durch entsprechenden 3D-Beschnitt anstelle der einfachen Rohrabschnitte sind natürlich auch Ausführungen möglich, bei denen der Auslaufwinkel der Kragarme bezogen auf die Kuppelfläche unterschiedliche eingestellt werden kann. Das Kugelsegment ist eine Sonderform der rotationssymmetrischen Ausbildung der Kuppelfläche, durch die als Kragarmanbindungen einfache Rohrabschnitte verwendet werden können und die Auslaufwinkel der Kragarmanbindungen bezogen auf den Schaft beliebig eingestellt werden können, wobei gleichzeitig eine erfindungsgemäße Ausrichtung der Mittelachsen gewährleistet ist. Bevorzugt wird hierbei, dass die Segmenthöhe kleiner gleich dem Radius, besonders bevorzugt kleiner gleich dem halben Radius, der Kuppelfläche ist. Um die mindestens zwei Kragarmanbindungen auf der Kuppelfläche anordnet zu können, ohne dass diese direkt miteinander verbunden werden müssen, muss die Mindesthöhe des Kugelsegments dabei jedoch folgende Bedingung erfüllen, bei der h_K für die Höhe des Kugelsegments, r_K für den Radius des Kugelsegments und d_A für den Durchmesser der Kragarmanbindung an der Kuppelfläche steht: $h_{K} \geq \frac{d_{A}^{2}}{2 \times r_{K}}$
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist der Pfeiler dadurch gekennzeichnet, dass die Kragarme mittels Schraubflanschen mit den Kragarmanbindungen verbunden sind. Abhängig von der Stützweite sowie das Verhältnis von Schafthöhe und Gesamthöhe des Pfeilers sind ggf. lange Kragarme notwendig. Um hier die Montage und die Ausrichtung der Kragarmanbindungen an die Kuppelfläche zu vereinfachen sind diese separat von den Kragarmen ausgebildet. Die Verbindung der Kragarme mit den Kragarmanbindungen erfolgt dann über Schraubflansche, insbesondere innenliegende Flansche, wofür ggf. noch eine Montageöffnung an zumindest einem der beiden Bauteile vorgesehen sein muss.
In alternativen Ausführungsformen zu den vorgenannten, vor allem bei relative geringen Pfeilerhöhen, sind die Pfeiler dadurch gekennzeichnet, dass die Kragarmanbindungen einstückig mit den Kragarmen ausgebildet sind. Hierdurch wird die Teilezahl verringert, was den Transport- und Fertigungsaufwand verringert.
Weitere Ausführungsformen des Pfeilers sind dadurch gekennzeichnet, dass der Verzweigungsknoten einen Übergang umfasst, wobei die Kuppelfläche mittels des Übergangs mit dem Schaft verbunden ist, und wobei der Übergang zwischen unterschiedlichen Durchmessern und/oder Querschnittsformen des Schafts und der Kuppelfläche ausgleicht. Hinsichtlich des Designs sind in der Regel gleiche Querschnittformen von Schaft und Kuppelfläche bevorzugt, meist rund oder mit einem polygonen Querschnitt, wobei sich allerdings die Durchmesser unterscheiden können, wobei hier in der Anmeldung mit Durchmesser als Bezeichnung auch die entsprechenden Abmessung, wie Kantenlänge, Um-, Inkreis usw. bei Polygonen beinhaltet sind. Unterschiedliche Durchmesser können beispielsweise aufgrund des Platzbedarfs an der Kuppelfläche für die Kragarmanbindungen vorgesehen werden, wenn für den Schaft ein geringerer Durchmesser für die Stützlast ausreicht.
Bei Ausführungsformen des Pfeilers mit Übergang kann der Pfeiler dadurch gekennzeichnet sein, dass der Übergang einen sich kontinuierlich ändernden Durchmesser und/oder Querschnitt aufweist. Hierfür entstehen bei runden Querschnitten beispielsweise konische Übergänge, die den Schaftdurchmesser nach oben auf den Durchmesser der Kuppelfläche erweitern. Alternativ kann der Übergang auch zur Erzeugung eines pilzförmigen Erscheinungsbilds als massive ebene Platte oder vom oberen Schaftende nach unten gerichteter Konus ausgeführt sein.
Ausführungsformen des Pfeilers sind dadurch gekennzeichnet, dass die Teile des Verzweigungsknotens miteinander verschweißt sind. Bei der Verwendung von Stahl als Werkstoff für die Bauteile des Pfeilers werden diese bevorzugt miteinander verschweißt, insbesondere die Teile des Verzweigungsknoten können so zu einer Baugruppe verbunden werden, wodurch sich der Transport- und Montageaufwand verringern lässt.
Zur Verstärkung können in Ausführungsformen der Erfindung Pfeiler dadurch gekennzeichnet sein, dass im Verzweigungsknoten Schottbleche vorgesehen sind. Insbesondere bei größeren Durchmessern kann so die Steifigkeit der Bauteile ohne eine Erhöhung der Wandstärken verbessert werden.
Ausführungsformen des Pfeilers sind dadurch gekennzeichnet, dass die Kragarme als Rohr mit einem konstanten oder konischen Querschnitt ausgeführt sind. Fertigungstechnisch am einfachsten und kostengünstigsten lassen sich die Kragarme aus Rohren mit konstantem Durchmesser herstellen. Aufgrund des Kraftverlaufs sowie in Anbetracht des Designs genügen auch sich nach oben konisch verjüngende Kragarme, welche gleichzeitig eine Gewichtsersparnis ermöglichen.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen des Pfeiler sind dadurch gekennzeichnet, dass die Kragarme gebogen oder 3D-geformt sind. Vor allem aus Designgründen oder auch um bestimmte lichte Weiten, wie Durchfahrthöhe auf einer bestimmten Breite der Stützweite zwischen zwei Pfeilern, zu gewährleisten, können die Kragarme auch einen gebogenen Verlauf aufweisen. Unter 3D-geformten Kragarmen sind Kragarme zu verstehen, deren Mittelachse über die Länge des Kragarms in mehr als eine Richtung verformt ist.
Pfeiler erfindungsgemäßer Ausführungsformen sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft als spiralnahtgeschweißtes Rohr ausgeführt ist. Hierdurch sind einfach beliebige Durchmesser als auch Rohrlängen möglich, die einen konstanten oder auch konischen Querschnittsverlauf ermöglichen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleichartige Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Einzelnen zeigen:

1 einen Pfeiler in einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine weitere Ansicht des oberen Teils der Ausführungsform in 1,
3 eine alternative Ausführungsform der Erfindung analog zu 2 dargestellt,
4 eine Ausführungsform der unteren Teile eines erfindungsgemäßen Pfeilers,
5 eine weitere Ausführungsform der unteren Teile eines erfindungsgemäßen Pfeilers,
6 eine weitere Ausführungsform der unteren Teile eines erfindungsgemäßen Pfeilers inklusive Kragarmanbindungen,
7 eine beispielhafte Verwendung erfindungsgemäßer Pfeiler bei einer Brücke.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Freipfeilers (1) in einer Ausführungsform mit vier Kragarmen (4), die eine konische Grundform aufweisen und leicht gebogen sind. Diese Kragarmen (4) sind mittels Schraubflanschen (6) mit dem Verzweigungsknoten (3) verbunden, welcher in den folgenden Figuren noch näher erläutert wird. Der Verzweigungsknoten (3) schließt sich oben am oberen Ende an einem Schaft (2) an.
2 zeigt einen Verzweigungsknoten (3) sowie Teile der Kragarme (4) gemäß 1. Hierbei sind die Kragarme (4) mittels Schraubflanschen (6) mit jeweils einer Kragarmanbindung (32) verbunden die auf einer Kuppelfläche (31) verbunden sind, die eine Wölbung nach oben aufweist. An den Rand der Kuppelfläche (31) schließt sich ein Übergang (33) nach unten an, dessen Mantelfläche sich nach unten in Richtung des nicht dargestellten Schafts (2) konisch verjüngt.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform zu der in 2 gezeigten Variante dargestellt. Der Aufbau hinsichtlich der Kragarme (4) über die Schraubflansche (6) und den Kragarmanbindungen (32) bis zur Kuppelfläche (31) sind hierbei identisch. Allerdings weist der Übergang (33) kleinere Durchmesser auf, weshalb der Übergang (33) nicht mit dem Rand sondern der Innenseite der Kuppelfläche (31) verbunden ist. Als einen weiteren Unterschied verjüngt sich der Übergang (33) konisch auf einen im Vergleich zum nicht dargestellten Schaft (2) kleineren Durchmesser. Um diesen Durchmesserunterschied auszugleichen, weist der Übergang (33) eine sich an den Konus anschließende Anschlussplatte auf.
4 und 5 zeigen jeweils die unteren Bauteile verschiedener Ausführungsformen. Gemeinsam ist diesen Ausführungsformen, dass sich der Schaft (2) von unten nach oben erstreckt und am oberen Ende ein konischer Übergang (33) vorgesehen ist, der sich bis auf den Durchmesser der Kuppelfläche (31) erweitert. Die Kuppelfläche (31) ist jeweils als ein Kugelsegment ausgebildet. Aufgrund der Ausbildung als Kugelsegmente können für die nicht dargestellten Kragarmanbindungen (32) Rohrabschnitte mit kreisförmigem Querschnitt verwendet werden.
Der Unterschied besteht darin, dass in 4 die Kuppelfläche (31) eine Halbkugel darstellt, somit also die Höhe des Kugelsegments bzw. der Kuppelfläche (31) dem Radius des Kugelsegments entspricht. Hierdurch wird eine relativ große Kuppelfläche (31) bereitgestellt, die für die nicht dargestellten Kragarmanbindungen (32) entsprechend Platz für eine Anordnung bieten und gleichzeitig, insbesondere für große Stützweiten, einen großen Auslaufwinkel zwischen Kragarmanbindung (32) und Mittelachse des Schafts (2) ermöglichen.
Im Gegensatz dazu ist in 5 die Höhe des Kugelsegments geringer als der Radius des Kugelsegments. Hierdurch bildet sich eine Kuppelfläche (31) die deutlich flacher ausgebildet ist, wodurch ein geringerer Auslaufwinkel zwischen Kragarmanbindung (32) und Mittelachse des Schafts (2) entsteht, was den Kraftfluss in den Bauteilen verbessert.
In 6 ist ein Schaft (2) eines erfindungsgemäßen Pfeilers (1) gezeigt, an dessen oberem Ende sich direkt die Kuppelfläche (31) anschließt. In diesem Ausführungsbeispiel ist kein Übergang (33) vorgesehen. Die Kuppelfläche (31) weist hier einen symmetrischen Aufbau zu der senkrecht zur Darstellungsebene durch die Mittelachse des Schafts (2) verlaufenden Ebene auf und ist für zwei Kragarmanbindungen (32) ausgelegt. Wie dargestellt treffen sich die Mittelachsen der Kragarmanbindungen (32) und des Schafts (2) in einem Punkt. Die Position dieses Punkts auf der Mittelachse des Schafts (2) kann in diesem Ausführungsbeispiel durch Änderung der Höhe des in der Ansicht dargestellten dreieckigen Querschnitts der Kuppelfläche (31) und/oder eines anderen Winkels der Flächen an den Kragarmanbindungen (32) zur Verbindung mit der Kuppelfläche (31) verändert werden, wodurch der Kraftfluss im Pfeiler veränderbar ist.
7 stellt eine beispielhafte Verwendung erfindungsgemäßer Pfeiler (1) anhand einer Brücke als Überbau (5) dar. In diesem Beispiel tragen die Pfeiler (1) den Überbau (5) dadurch, dass sich jeweils ein Schaft (2) vom Boden nach oben erstreckt und sich am Verzweigungsknoten (3) in die Kragarme (4) verzweigt. Die Kragarme (4) verzweigen sich, um eine größere Auflagefläche bzw. Stützweite zu ermöglichen und sind mit dem Überbau (5) verbunden.
Die verschiedenen Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar und nicht nur auf die beschriebenen oder dargestellten Beispiele von Ausführungsformen beschränkt.
Bezugszeichenliste

1: (Frei-)Pfeiler
2: Schaft
3: Verzweigungsknoten
31: Kuppelfläche
32: Kragarmanbindung
33: Übergang
4: Kragarm
5: Überbau
6: Schraubflansche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CN 102259166 A [0002]

Claims

Freipfeiler (1) mit einem Schaft (2), einem am oberen Ende des Schafts vorgesehener Verzweigungsknoten (3) und mindestens zwei Kragarmen (4), die jeweils an einem Ende mit dem Verzweigungsknoten verbunden sind und am anderen Ende den Überbau (5) tragen, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzweigungsknoten (3) eine Kuppelfläche (31) und eine der Anzahl der Kragarme (4) entsprechende Anzahl von Kragarmanbindungen (32) umfasst, und dass die Kragarmanbindungen (32) derart angeordnet sind, dass sich die Mittelachsen der Kragarmanbindungen (32) und des Schafts (2) in einem gemeinsamen Schnittpunkt treffen.
Pfeiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppelfläche (31) eine Form aufweist, die mindestens zu einer durch die Mittelachse des Schafts (2) laufenden Symmetrieebene symmetrisch oder zur Mittelachse des Schafts (2) rotationssymmetrisch ist.
Pfeiler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppelfläche (31) im Wesentlichen in Form eines Kugelsegments ausgebildet ist, und dass die Kragarmanbindungen (32) über kreisringförmige Flächen mit der Kuppelfläche (31) verbunden sind, wodurch der gemeinsame Schnittpunkt der Mittelachsen im Zentrum des Kugelsegments liegt.
Pfeiler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kragarme (4) mittels Schraubflanschen (6) mit den Kragarmanbindungen (32) verbunden sind.
Pfeiler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kragarmanbindungen (32) einstückig mit den Kragarmen (4) ausgebildet sind.
Pfeiler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzweigungsknoten (3) einen Übergang (33) umfasst, wobei die Kuppelfläche (31) mittels des Übergangs (33) mit dem Schaft (2) verbunden ist, und wobei der Übergang (33) zwischen unterschiedlichen Durchmessern und/oder Querschnittsformen des Schafts (2) und der Kuppelfläche (31) ausgleicht.
Pfeiler (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (33) einen sich kontinuierlich ändernden Durchmesser und/oder Querschnitt aufweist.
Pfeiler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile des Verzweigungsknotens (3) miteinander verschweißt sind.
Pfeiler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verzweigungsknoten (3) Schottbleche vorgesehen sind.
Pfeiler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kragarme (4) als Rohr mit einem konstanten oder konischen Querschnitt ausgeführt sind.
Pfeiler (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kragarme (4) gebogen oder 3D-geformt sind.
Pfeiler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (2) als spiralnahtgeschweißtes Rohr ausgeführt ist.