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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verankerung eines im Baugrund einseitig gegründeten, balkenförmigen tragenden Bauelementes, insbesondere eines vertikalen Fundamentbalkens nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7.
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Ein vertikaler Fundamentbalken, dessen eines Ende im Baugrund gegründet ist und dessen anderes Ende freistehend aus dem Baugrund emporragt, wird beispielsweise bei der Fixierung verschiedenster PV-Module (Photovoltaikmodule) verwendet, die an dem freistehenden Ende montiert sind. Ein PV-Modul wandelt das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie um und besteht aus Solarzellen, die in Serie oder parallelgeschaltet sind und bevorzugt auf einem Aluminiumrahmen montiert und von einer Glasplatte abgedeckt sind.
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PV-Module sind starken Witterungsbedingungen, insbesondere einwirkenden Windlasten ausgesetzt. Alle Kräfte, die auf die Anlage einwirken, müssen von den Fundamentbalken aufgenommen und in den Baugrund abgeleitet werden.
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Ist das Fundament unterdimensioniert, drohen gravierende und kostspielige Schäden. Aufgrund der bei hohen Windbelastungen enormen Hebelkräfte auf den Fundamentbalken können diese sich schlimmstenfalls lösen und die PV-Anlage kann umkippen.
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Eine Unterdimensionierung des Fundamentbalkens kann aber unter Umständen erst nach Aufbau der Anlage festgestellt werden, wenn z.B. schlechte Bodenkennwerte vorhanden sind oder die PV-Anlage aufgerüstet wurde.
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Eine Neugründung der Anlage ist jedoch oft kostspielig, da hierzu die Anlage zumindest in Teilen zeitweise demontiert werden muss.
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Zwar ist es prinzipiell möglich, die oberirdischen Teile des Fundamentbalkens beispielsweise durch ein Drahtseil- oder Ketten-Verankerungssystem zu stabilisieren, jedoch muss hierzu der Abspannpunkt in ausreichender Entfernung zum Fundamentbalken mit dem Baugrund verbunden werden, wobei zudem ein Abspannwinkel von größer als 45° benötigt wird. Durch diese Vorrichtung wird sehr viel Platz um den Fundamentbalken herum benötigt, welcher nicht mehr wirtschaftlich genutzt werden kann. Zudem können die Kräfte, welche auf das PV-Modul wirken nicht effektiv genug in den Baugrund geleitet werden und es besteht die Gefahr, dass sich der verankerte Abspannpunkt aus dem Baugrund löst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Schaffung einer zusätzlichen Verankerung eines pfostenförmigen Fundaments, welche bei bestehenden Anlagen angebracht werden kann und die wirkenden Kräfte effektiv in den Baugrund ableitet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
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Vorteilhaftes Merkmal ist, dass die Vorrichtung aus einer mindestens zweiteiligen Schelle besteht, die das freistehende Ende eines Fundamentbalkens formschlüssig am Außenumfang umfasst, und an der mindestens zwei voneinander beabstandete Gewindemuffen befestigt sind, durch die jeweils das eine Ende jeweils eines Gewindestabes greift, und dessen anderes Ende in den Untergrund getrieben ist.
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Im Folgenden wird der Begriff Vorrichtung und Gewindestabschellenvorrichtung synonym verwendet.
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Somit handelt es sich um eine Vorrichtung zur Befestigung an einem Bestandsfundament, um dieses in weiterer Folge zu sanieren, da die geforderten Traglasten nicht oder nicht mehr aufgenommen werden können. Die erfindungsgemäße Gewindestabschellenvorrichtung kann an unterschiedlichen Werkstoffen angebracht werden, da die Schellen sowohl an Stahl, Beton oder Holzfundamenten kraftschlüssig angebracht werden können. Der Kraftschluss wird entweder durch eine Klemmung, eine Klebung, eine Schraubverbindung, eine Schweißung oder eine Gießvariante (eingegossen gemeinsam mit Bewehrungskorb) hergestellt.
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Beispiele für ein im Baugrund einseitig begründetes, balkenförmiges tragendes Bauelement ist ein Telleranker-Fundament bei einer PV-Freiflächenanlage, ein Schraubfundament bei Modulhäusern, ein gerammtes Spundwandelement für eine Portalabspannung, ein Betonpfahl für eine Hallenkonstruktion oder ein Bodenanker. Die Gewindestabschellenvorrichtung ist somit nicht auf PV-Anlagen beschränkt.
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Damit wird ein Bodenankersystem geschaffen, welches eine temporäre oder permanente Fixierung von Bauwerken ohne Anwendung von Beton oder anderen Bindemitteln ermöglicht. Dieses System besteht aus einer Schelle, welche mit mindestens zwei Gewindestäben im Boden verankert wird. Die Länge der Gewindestäbe variiert von 2,00 bis 6,00 m, abgestimmt auf die einzuleitenden Kräfte und die Bodenbeschaffenheit.
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So kann die Anzahl der Stäbe nach statischer Anforderung und Bodenbeschaffenheit gewählt werden.
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Somit ist eine Fundamentsanierung möglich, die individuell nach einer Berechnung mit einem Bemessungskonzept erfolgt. D.h. es werden dort Gewindestäbe eingedreht, wo das Bestandsfundament schwach ist und eine zusätzliche Traglast gefordert wird. Je nach geforderter Traglast variiert die Stablänge (von 0 bis 12 m Werkslänge), der Stabdurchmesser (12 bis 26 mm) der Einbringwinkel (10 bis 50°) und die Anzahl der Stäbe (2 bis ein paar Dutzend). Letzteres wird durch eine Vielzahl an Gewindestabschellenvorrichtungen ermöglicht, die übereinander angeordnet sind und deren Gewindemuffen in unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet sind. Die Anzahl der Gewindestabschellenvorrichtungen kann beliebig fortgesetzt werden.
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Die eingebrachten Gewindestäbe wirken aufgrund von Reibung (vergleichbar mit einem Verdrängungspfahl) und es können je nach Neigungswinkel unterschiedlich auftretende Zug-, Druck und Horizontalkräfte aufgenommen werden.
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Die Gewindemuffen sind in einem Winkel zur Längsausrichtung des Fundamentbalkens mit den Seitenwangen der Schelle verbunden, um so den Eindrehwinkel der Gewindestäbe vorzugeben. Die Gewindestäbe werden durch die seitlich an den Schellen befestigte (aufgeschweißte, geklebte, etc.) Gewindemuffen in den gewachsenen Boden mittels einer einfachen Eindrehmaschine, wobei der Stab mit einem Spannfutter gefasst wird, in den Boden eingedreht.
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Alternativ können die Gewindemuffen drehbar mit den Schellen verbunden sein.
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Das balkenförmige tragende Bauelement ist am Grund einer Baugrube gegründet und die Vorrichtung schließt etwa mit der Oberkante der Baugrube ab. Es entfallen nahezu sämtliche Erdarbeiten, da nur ein kleiner kreisrunder Ausschnitt (Loch) freigelegt wird. Gegenüber den derzeitigen Sanierungsmethoden (Stand der Technik) stellt dies einen minimalinvasiven Eingriff in sämtlichen Dimensionen wie Zeit, Kosten oder Aufwand, dar.
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Die Formgebung der Schelle ist an einen kreisförmigen, rechteckigen oder polygonalen Querschnitt eines Fundamentbalkens angepasst. Das erfindungsgemäße Gewindestabschellensystemen ist somit geeignet für sämtliche Grundformen eines Bestandsfundaments aus Beton, Stahl oder einem anderen Baustoff.
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Die Gewindestabschellenvorrichtung kann somit bei sämtlichen bekannten Ramm-, Schraub und Pfahlsystemen angebracht werden. Egal ob die Ausführungsform des Bestandsfundaments pfahlartig (kreisförmig), quadratisch, rechteckig oder polygonal ist.
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Ein Kraftschluss zwischen der Schelle und dem Fundamentbalkens wird durch Klemmung, Klebung, Schraubverbindung, Schweißen oder Gießen hergestellt.
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Zur Verankerung des vertikalen Fundamentbalkens, der sich mindestens teilweise im Untergrund befindet, wird die mindestens zweiteilige Schelle zunächst um den Außenumfang des Fundamentbalken gelegt, wobei die Schelle mindestens zwei Gewindemuffen mit Innengewinde aufweist. Durch diese Gewindemuffen wird anschließend jeweils ein Gewindestab hindurch in den Baugrund getrieben, um den Fundamentbalken zu verankern.
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In einer anderen Ausführungsform weist die Schelle mehr als zwei Teilelemente auf, d.h. mehr als zwei Seitenwangen, die in Summe den Fundamentbalken umschließen.
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Dazu wird zunächst der Fundamentbalken unterhalb der Geländeoberkante (GOK) freigelegt, in dem der Untergrund um den Fundamentbalken herum abgegraben wird. Dabei verbleibt jedoch das Ende des Fundamentbalkens fest im Baugrund vergraben, da nur ein Abschnitt freigelegt wird.
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In diesem Abschnitt wird die Schelle, welche bevorzugt aus zwei Seitenwangen besteht, um den Fundamentbalken gelegt und anschließend über eine Schraubverbindung, die durch seitliche Verbindungslaschen an zwei gegenüberliegenden Enden einer Seitenwange geführt ist, miteinander verschraubt.
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Derartige Verbindungslaschen für Schraubverbindungen können beidseitig an den Seitenwangen vorhanden sein. Alternativ nur an einem Ende, wobei das andere Ende ein Scharnier aufweist, das eine Schwenkbewegung zweier Seitenwangen gegeneinander ermöglicht.
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Die Montage am Bestandsfundament erfolgt durch Anbringen der Schelle, idealerweise auf Niveau der Geländeoberkante und deren kraftschlüssigen Fixierung mit dem Bestandsfundament. Alternativ kann die Schelle auch unter- oder oberhalb der Geländeoberkante montiert werden. Anschließend werden die an der Schelle seitlich durch die Gewindemuffe geführten Gewindestäbe im Erdreich bzw. Baugrund verankert.
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Die hindurchzutreibenden Gewindestäben, die in unterschiedlichen Richtungen und Winkeln durch zugeordnete Innengewinde der Gewindemuffen an der Schelle hindurchgeschraubt werden, werden so ebenfalls in unterschiedlichen Winkeln und Richtungen im Erdreich oder im Gestein verankert.
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Zur Einbringung der Gewindestäbe wird eine bestimmte Art einer Bohrmaschine verwendet. Eine solche, bekannte Bohrmaschine besteht aus einem Antriebsmotor, der ein als Klemmfutter ausgebildetes Bohrfutter drehend antreibt. Der Gewindestab wird mit seinem hinteren Ende in dem Bohrfutter oder Klemmfutter eingespannt, mit seinem vorderen Ende auf die Gewindebohrung der Gewindemuffe aufgesetzt und danach wird die Bohrmaschine eingeschaltet. Durch den drehenden Antrieb des Gewindestabes wird dieser somit fortschreitend zunächst durch die Gewindemuffe hindurch und dann in das Erdreich oder das Gestein eingetrieben, weil die an seinem Umfang angeordneten Gewindesteigungen den Gewindestab in den Baugrund hineinziehen.
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Gewindestäbe in jeden Bodentyp (auch in Felsen) eingebracht werden kann. Falls der Boden zu hart ist, wird zunächst ein Loch vorgebohrt, in das später der Gewindestab eingedreht wird.
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Das System kann jederzeit rückstandsfrei demontiert werden, was es zu einem sehr umweltschonenden System macht.
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Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird auf die Innenfläche der Schelle eine Folie mit hohem Reibungskoeffizienten geklebt, die den Kraftschluss zwischen der Außenfläche des Fundamentbalkens und der Innenfläche der Schelle erhöht.
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In einer dazu alternativen Weiterbildung werden reibungserhöhende Einlagen zwischen Schelle und Fundamentbalken eingelegt.
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Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zur Anbringung der Vorrichtung sind:
- • Sanierung jedes Bestandsfundaments, auch wenn nur ein begrenzter Bauraum zur sicheren Verankerung zur Verfügung steht
- • Minimalinvasiver Eingriff, da kein zusätzlicher Bodeneingriff notwendig
- • Modulare Anwendung und damit extreme Flexibilität
- • Aufnahme von zusätzlich geforderten Kräften in x-, y- und z-Richtung
- • In jedem Bodentyp anwendbar
- • Montage mit einfachem Werkzeug, welches manuell, elektrisch oder pneumatisch oder hydraulisch angetrieben wird
- • Die Vorrichtung kann jederzeit rückstandsfrei demontiert werden
- • Die Vorrichtung ist wiederverwendbar und recyclefähig
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, könnten als erfindungswesentlich beansprucht werden, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Die Verwendung der Begriffe „wesentlich“ oder „erfindungsgemäß“ oder „erfindungswesentlich“ ist subjektiv und impliziert nicht, dass die so benannten Merkmale zwangsläufig Bestandteil eines oder mehrerer Patentansprüche sein müssen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht, die die Aspekte der vorliegenden Erfindung veranschaulicht
- 2: eine schematische Ansicht zweier Schellen mit seitlichen Gewindemuffen
- 3: Vorderansicht einer Gewindestabschellenvorrichtung an einem freigelegten Fundamentbalken
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1 zeigt einen vertikalen Fundamentbalken 2, dessen eines Ende im Baugrund 13 gegründet ist und dessen anderes Ende freistehend aus dem Baugrund 13 emporragt und mittels der Gewindestabschellenvorrichtung 1 am Baugrund 13 abgestützt ist. Dazu weist die Vorrichtung in dem gezeigten Beispiel eine zweiteilige Schelle 3 auf, die das freistehende Ende des Fundamentbalkens 2 formschlüssig am Außenumfang umfasst. Damit eine derartige Umfassung auch bei einem bestehenden Fundamentbalken möglich ist, weist die Schelle 3 zwei Seitenwangen 4, 5 auf, die über mehrere Schraubverbindungen 11 miteinander verbunden sind. Die Seitenwangen 4, 5 legen sich formschlüssig um den Fundamentbalken 2 herum.
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Bei dem gezeigten Beispiel handelt es sich um einen quadratischen Fundamentbalken, so dass die Schelle 3 mit ihren zusammengefügten Seitenwangen 4, 5 ebenfalls ein Quadrat bilden und sich somit formschlüssig mit ihren Innenflächen an der Seitenfläche 12 des Fundamentbalkens 2 anlegen.
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Auf mindestens einer Außenfläche einer Seitenwange 4, 5 ist eine Gewindemuffe 6 montiert, welche sich in einem Winkel zur Längsachse des Fundamentbalkens 3 erstreckt. Ein durch eine solche Gewindemuffe 6 geführter Gewindestab 7 ist somit auch in diesem Winkel gegenüber der Längsachse des Fundamentbalkens 3 ausgerichtet.
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Bevorzugt ist die Ausrichtung des Gewindestabs 7 windschief zur Längsachse, um die Montage zu erleichtern.
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In dem hier gezeigten Beispiel sind zwei Gewindemuffen 6a, 6b sichtbar, welche in unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind, um eine optimale Verankerung zu erzielen.
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Um die Gewindestabschellenvorrichtung möglichst platzsparend zu montieren, wird zunächst ein Loch 9 um den bestehenden Fundamentbalken 2 ausgehoben, bis eine zuvor bestimmte Unterkante 10 des Lochs 9 erreicht ist. Somit ist es möglich die Gewindestabschellenvorrichtung 1 genau auf oder unterhalb der Gehäuseoberkante 8 zu montieren, um auch in diesem Bereich die Gewindestäbe 7 in die Unterkante 10 und tiefer in den Baugrund 13 einzubringen. Anschließend kann das Loch 9 wieder gefüllt werden, wodurch der Vorrichtung und insbesondere die Gewindestäbe nicht mehr sichtbar sind und ein mögliches Verletzungsrisiko minimiert wird.
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2 zeigt eine Gewindestabschellenvorrichtung 1, welche aus zwei übereinander angeordneten Schellen 3 besteht. In dem hier gezeigten Beispiel bilden die zwei Seitenwangen 4, 5 aus denen sich die Schelle 3 zusammensetzt, einen Kreis, um einen runden, nicht gezeigten Fundamentbalken zu umschließen. Die untere Schelle weist die Gewindemuffen 6a, 6b auf, welche in unterschiedlichen Winkeln ausgerichtete sind. Jede Schelle weist an ihren Enden jeweils eine Verbindungslasche 14, 15 auf, durch die zwei Schraubverbindungen 11 geführt werden.
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3 zeigt eine Gewindestabschellenvorrichtung 1, deren Oberkante mit der Geländeoberkante 18 abschließt. Der sich in dem Loch 9 befindliche Fundamentbalken 2 ragt durch die Unterkante 10 hindurch in den Baugrund 13 hinein und ist dort gegründet.
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Mit einem Werkzeug 16 wird an dem Gewindestab 7 angegriffen, um diesen in eine rotatorische Bewegung zu versetzen. Der Gewindestab 7 wird zunächst in die stationäre Gewindemuffe 6 geschraubt, welche über ein Innengwinde verfügt. Durch den Gewindegang des Innengewindes der festen Gewindemuffe 6, erfährt der Gewindestab eine zusätzliche translatorische Bewegung in Pfeilrichtung 18. Nach Durchlaufen der Gewindemuffe trifft der Gewindestab auf die Unterkante 10 des Lochs 9 und bohrt sich weiter mit seinem Ende 17 in Pfeilrichtung 18 in den Baugrund 13 hinein.
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Die hier gezeigte Schelle 3 verfügt über zwei Verbindungslaschen 14, 15, durch die zwei Schraubverbindungen 11 geführt sind um die beiden Verbindungslaschen miteinander zu verbinden und um somit die Schelle 3 auf Position zu fixieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gewindestabschellenvorrichtung
- 2
- Fundamentbalken
- 3
- Schelle
- 4
- Seitenwange
- 5
- Seitenwange
- 6, 6a, 6b
- Gewindemuffe
- 7
- Gewindestab
- 8
- Gehäuseoberkante
- 9
- Loch
- 10
- Unterkante
- 11
- Schraubverbindung
- 12
- Seitenfläche
- 13
- Baugrund
- 14
- Verbindungslasche
- 15
- Verbindungslasche
- 16
- Werkzeug
- 17
- Ende (von 7)
- 18
- Pfeilrichtung
