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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines Hohlprofils aus einem Profilträger, der zumindest
zwei im wesentlichen parallele Flansche aufweist, die durch einen
senkrecht zu den Flanschen ausgebildeten Steg miteinander verbunden sind,
wobei die Flansche sich beiderseits des Steges erstrecken. Ebenfalls
betrifft die Erfindung ein Hohlprofil als solches.
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Hohlprofile werden auf dem Markt
als kalt- oder warmgeformte sowie stranggepresste Rundrohr- und
Quadrat- bzw. Rechteckhohlprofile angeboten. Solche Hohlprofile
haben statische Vorteile hinsichtlich der Torsionssteifigkeit sowie
ein günstiges Stabilitätsverhalten,
insbesondere eine geringe Neigung zum Biegedrillknicken.
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Bei der Herstellung von Gittertürmen oder Gittermasten
im Bauwesen sowie bei der Erstellung von Fachwerkskonstruktionen
mit Metallprofilen werden vorwiegend L-Profile als Konstruktionsprofile verwendet.
Diese haben den Vorteil einer leichten Montage durch Verschrauben
der Eckstiele sowie Ausfachungen unter einander. Werden hier die üblichen
Hohlprofile verwendet, ist die Fügbarkeit
aus konstruktiven Gründen
deutlich erschwert, da eine Verbindung der Hohlprofile über Flansch-
oder Schweißverbindungen
realisiert wird. Diese Verbindungen weisen jedoch hinsichtlich des
Betriebsfestigkeitsverhaltens bei der Kraftübertragung in Profilrichtung
deutliche Nachteile gegenüber
mit HV-Schrauben ausgeführten
Laschen- bzw. Schnittverbindungen auf. Ebenfalls ist das Schweißen vor Ort
sehr aufwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofiles bereitzustellen,
das einfach durchzuführen
ist und mit dem Hohlprofile hergestellt werden kann, die eine leichte
Montierbarkeit mit einer hohen Betriebsfestigkeit der Anschüsse vereinen.
Weiterhin soll ein Hohlprofil bereitgestellt werden, das eine leichte
Montierbarkeit mit einer hohen Betriebsfestigkeit der Anschüsse vereint.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch
gelöst,
dass die Flansche durch Umformen des Steges dergestalt aufeinander
zu bewegt werden, dass je eine Flanschkante eines Flansches der
entsprechend anderen gegenüberliegt
oder an ihr anliegt und die beiden Flansche miteinander verbunden werden.
Dadurch wird ein geschlossenes Hohlprofil erreicht, das die Vorteile
hinsichtlich der Torsionssteifigkeit und des Stabilitätsverhaltens
mit den hervorragenden Eigenschaften der Winkelprofile hinsichtlich der
Betriebsfestigkeit und der leichten Montierbarkeit vereinbart. Darüber hinaus
sind nahezu beliebige Dimensionierungen zu erreichen, da die verwendeten Profilträger, vorzugsweise
handelsübliche
I-Profile oder spezielle Walzprofile, in einer Vielzahl an Dimensionen
sowohl hinsichtlich der Flansche als auch des Steges vorliegen.
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Das erfindungsgemäße Hohlprofil besteht aus einem
Profilträger,
der zumindest aus einem Flansch und einem Steg ausgebildet ist,
wobei unter Bildung eines geschlossenen Profilquerschnitts zumindest
eine Flanschkante mit einer weiteren Flanschkante dergestalt verbunden
ist, dass Flanschabschnitte über
den ge schlossenen Profilquerschnitt herausragen, so dass insbesondere
bei einer Verwendung solcher Hohlprofile als Tragwerkselemente für Hochbauten,
beispielsweise für
Windkraftanlagen, eine leichte Montierbarkeit der Verstrebungen
an den überstehenden
Flanschabschnitten sowie eine hohe Torsionssteifigkeit gegeben ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass die Flansche an den aneinander gegenüberliegenden
Flanschkanten stoffschlüssig
miteinander verbunden werden, vorzugsweise dass sie über die gesamte
Länge des
Profilträgers
miteinander verschweißt
werden, was sinnvollerweise durch automatisiertes Schweißen im Anschluss
an den Biegevorgang erfolgt.
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Um Spannungsspitzen innerhalb des
Materials aufgrund des Umformvorganges zu vermeiden, sind in dem
Steg Materialschwächungen
in Gestalt von Nuten oder Ausnehmungen eingearbeitet, entlang derer
die Umformung kalt oder warm ausgeführt wird. Neben der Verbesserung
der Haltbarkeit aufgrund des gleichmäßigen Spannungsverlaufes in
der Biegestelle wird durch die Materialschwächungen bzw. Ausnehmungen oder
Nuten die Biegekante bzw. die Biegekanten vorgegeben, so dass der
Biegevorgang als solcher vereinfacht wird. Da die Querschnitte der
Profilträger
in der Regel symmetrisch sind und die Flanschkanten zueinander parallel
liegen, sind die Materialschwächungen
vorzugsweise parallel zu der Längserstreckung
des Profilträgers angeordnet,
so dass eine Biegung um eine Achse parallel zur Längserstreckung
des Profilträgers
erfolgen kann.
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Alternativ zu der Umformung bzw.
Biegung an nur einer Stelle des Steges ist es vorgesehen, dass mehrere,
parallel zueinander angeordnete Materialschwächungen in dem Steg vorgesehen
sind, entlang derer umgeformt wird, so dass der Steg aus drei oder
mehr im Winkel zueinander ausgerichteten Schenkeln besteht. Bei
nur einer Materialschwächung
bzw. bei einem Biegevorgang um nur eine Achse wird der Steg zu einem
Verbindungswinkel der Flansche mit zwei Schenkeln.
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Der Umformvorgang kann direkt im
Anschluss an den Walzvorgang durchgeführt werden, wenn sich der Profilträger noch
in einem erwärmten Zustand
befindet, möglich
ist jedoch ein Biegen auch nach dem Abkühlen oder eine nachträgliche Erwärmung der
Biegestellen durch Induktion, Gas oder dergleichen. Der Biegevorgang
selbst kann in mehreren, diskreten Schritten oder kontinuierlich
in einem ununterbrochenen Biegevorgang erfolgen.
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Vorteilhafterweise wird als Profilträger ein einstückiger I-Träger oder
ein gewalztes I-Profil verwendet, alternativ kann ein asymmetrischer
Profilträger
eingesetzt werden, wobei darauf zu achten ist, dass beidseitig über den
Steg Flanschabschnitte hinausragen, so dass ein Hohlquerschnitt
mit überstehenden
Flanschabschnitten bzw. Flanschhälften
entsteht. Je nach Abmessung des Ausgangsprofils ist die Zellengröße des Hohlquerschnittes
ausgebildet, ebenso kann die Kontur des Hohlquerschnittes gemäß der Anforderung
ausgestaltet sein, das heißt,
es können
unterschiedliche Winkel zwischen den Flanschen realisiert werden.
Ebenfalls kann in Abhängigkeit
von dem Ausgangsprofil ein unterschiedlicher Biegewinkel bzw. können mehrere,
unterschiedliche Biegewinkel in dem Steg zwischen den Flanschen verwirklicht
werden. Der Steg selber kann auch rund gebogen sein, um die Spannungen
innerhalb des Materials zu minimieren. Ebenfalls ist es vorgesehen, dass
in dem Steg eine Materialanhäufung,
vorzugsweise über
die gesamte Profillänge,
ausgebildet ist, entlang derer die Umformung stattfindet, so dass
an der Rückseite
des Profils eine größere Wandstärke vorhanden
ist als an den Seitenwänden.
Vorteilhafterweise sind entlang der Übergänge der Materialanhäufung zu
dem normalen Steg Materialschwächungen
ausgebildet, um das Biegen zu erleichtern und Spannungen zu vermeiden.
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Ebenfalls ist es vorgesehen, dass
die Flanschkanten besonders ausgeformt sind, beispielsweise mit
einer Fase, so dass die Verbindung der Flansche über das Verschweißen der
Flanschkanten besonders einfach erfolgen kann. Die Fasen können an
der Flanschkante durch Walzen erzeugt werden.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung
eines solchen Hohlprofiles sieht vor, dass es als Träger für Fachwerkskonstruktionen
oder als Konstruktionselement eingesetzt wird, wobei die Verbindung
mehrerer solcher Profile durch Verschrauben von Flanschabschnitten
mit HV-Schrauben über
Laschen- bzw. Schnittverbindungen realisiert werden kann. Dadurch
können
diese Hohlprofile leicht montiert werden, weisen ein sehr gutes
Betriebsfestigkeitsverhalten auf und vermeiden die Nachteile von
L-Profilen, insbesondere hinsichtlich des Biegedrillknickens.
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Eine alternative Ausgestaltung des
Hohlprofils sieht vor, dass ein Profilträger verwendet wird, der aus
einem Steg und einem Flansch besteht und der mit einem weiteren
Material, beispielsweise einem Flansch eines weiteren Profilträgers oder
einem Flacheisen dergestalt verbunden wird, dass ein Hohlprofil
entsteht. Der Basisprofilträger
ist dabei beispielsweise als ein L-Träger mit einem Steg und einem
sich in einem Winkel daran anschließenden Flansch ausgebildet,
in den die Flanschseite eines T-Trägers, eines U-Träger, eines
Y-Trägers
oder ein Doppel-T-Träger eingeschweißt werden
kann. Das Einschweißen
erfolgt dabei in dem von dem L-Träger gebildeten Winkel, wobei
eine Flansch- bzw. Stegkante des zweiten Trägers an dem Flansch bzw. Steg des
Profilträgers
eingeschweißt
wird. Der Flansch und der Steg des L-Trägers kann dabei in einem Winkel
von 60°–120° zueinander
ausgerichtet sein, vorzugsweise in einem Winkel von 60° oder 90°, wodurch
sich bei einer Ständerkonstruktion
ein Bauwerk aus drei bzw. vier entsprechenden Hohlprofilen leicht errichten
lässt.
Sollten vieleckige Bauwerke aus solchen Hohlprofilen errichtet werden,
können
die Winkel entsprechend verändert
werden.
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Eine weitere Alternative sieht vor,
dass das Hohlprofil aus zwei T-Trägern ausgebildet ist, die jeweils
an einer Flanschkante und an der Stegkante miteinander verschweißt werden,
so dass ein in der Regel quadratischer, geschlossener Profilquerschnitt realisiert
wird, bei dem zwei Flanschabschnitte der T-Träger herausstehen. Die T-Träger können unter einem
Winkel von 60°–120°, je nach
konstruktivem Erfordernis, miteinander verbunden werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass auf der Winkelhalbierenden zwischen zwei Flanschen
oder einem Steg und einem Flansch innerhalb des geschlossenen Hohlprofils
ein Flachmaterial angeordnet ist, das vorzugsweise durch den gesamten
Profilquerschnitt hindurchragt, um eine zusätzliche Versteifung zu bewirken.
An das Flachmaterial können
auch zwei T-Träger
in einem entsprechenden Winkel angeschweißt werden; alternativ dazu
kann aus drei T-Trägern
ein entsprechendes Hohlprofil zusammengeschweißt werden, indem zwei T-Träger mit
jeweils einer Flanschkante und den Stegkanten verschweißt werden,
wobei ein Steg eines dritten T-Trägers durch den geschlossenen
Profilquerschnitt hindurchragt, so dass der Steg des dritten T-Trägers das
Flachmaterial bildet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der Figuren näher
erläutert.
Gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren bezeichnen gleiche
Bauteile. Es zeigen:
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1–4 – im Querschnitt Ausgangsprofile und
die daraus gebildeten Hohlprofile;
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5 und 6 – Detailansichten der Fügestelle zweier
Flansche;
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7 und 8 – Detailansichten von Stegen;
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9–25 – Varianten von Profilquerschnitten.
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Die 1–4 zeigen in Querschnittsansicht jeweils
auf der linken Seite ein Profilträger 1, der als sogenannter
I-Träger
oder Doppel-T-Träger
ausgebildet ist und vorzugsweise aus einem gewalzten Profil besteht.
Ein solcher Profilträger 1 besteht
aus zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Flanschen 2, 3,
die durch einen mittig angeordneten Steg 4 verbunden sind.
Neben der dargestellten Ausführungsform
mit parallelen Flanschflächen
können
die inneren Flanschflächen
auch geneigt ausgebildet sein. Zur Bildung eines Hohlprofiles werden zwei
gegenüberliegende
Flanschkanten 12, 13 der beiden Flansche 2, 3 aufeinander
zu bewegt, wobei der Steg 4 des Profilträgers 1 umgeformt
wird. Der Umformvorgang findet solange statt, bis die Flanschkanten 12, 13 aufeinander
liegen bzw. hinreichend nah aufeinander zu bewegt werden, so dass
eine Verbindung der Flansche 2 und 3 im Bereich
der aufeinander zu bewegten Flanschkanten 12, 13 erfolgen kann.
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Der Umformvorgang erfolgt gemäß 1 und 2 um eine Biegelinie 5, die
im wesentlichen in der Mitte des Steges 4 zwischen den
Flanschen 2, 3 liegt. Die Biegelinie verläuft dabei
im wesentlichen parallel zu der Längserstreckung des Profilträgers 1,
vorzugsweise in der neutralen Ebene bzw. neutralen Faser.
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Während
in der 1 eine Abknickung
des Steges 4 und ein spitzwinkliges Zulaufen der durch den
Steg 4 gebildeten Schenkel in Richtung auf die Biegelinie 5 erfolgt,
ist in der 2 eine gerundete Ausbildung
des Biegebereiches des Steges 4 vorgesehen. Die Geometrie
des Hohlquerschnittes ebenso wie die Dimensionierung des Hohlquerschnittes
sind von den Abmessungen des Ausgangsprofils des Profilträgers 1 abhängig. Während in
der 2 ein breitflanschiger
I-Träger verwendet
wurde, ist in der 3 ein
I-Träger
mit einem sehr hohen Steg 4 ausgebildet, was zu entsprechenden
Geometrien führt.
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Neben der dargestellten rechtwinkligen
Zuordnung der Flansche 2, 3 zueinander bzw. der Flanschkanten 12, 13 zueinander,
sind je nach Einsatzgebiet unterschiedliche Winkel zwischen den Flanschen 2, 3 vorgesehen.
Während
ein Winkel von 90° für viereckige
Konstruktionen sinnvoll ist, ist ein Winkel von 60° für dreieckige
Konstruktionen und für vieleckige
Konstruktionen ein entsprechender Winkel vorgesehen. Ebenfalls ist
es möglich,
zwei Biegelinien 5 vorzusehen, wie in der 3 dargestellt ist. Grundsätzlich können auch
mehr als zwei Biegelinien 5 verwirklicht werden.
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In der 4 ist
eine alternative Ausgestaltung des Hohlquerschnittes dargestellt,
bei dem der Steg 4 in einem größeren Radius gebogen ist, so dass
sich eine geschwungene Querschnittsform des Steges ergibt. Der zwischen
den Flanschen 2, 3 vorhandene Winkel α kann, wie
oben ausgeführt,
variabel ausgebildet sein.
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In den 5 und 6 sind verschiedene Möglichkeiten
der Verbindung der beiden Flansche 2, 3 dargestellt,
wobei in 5 die Flanschkanten 12, 13 in
einem rechten Winkel aufeinander stehen, so dass eine stoffschlüssige Verbindung über eine
Schweißnaht 15,
die vorliegend als eine V-Naht ausgebildet ist, hergestellt werden
kann.
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Eine andere Anordnung der Flansche 2, 3, bei
der die Flanschkanten 12, 13 nicht linienförmig aufeinander
stehen, sondern eine Flanschkante 12 an der Unterseite
des Flansches 3 anliegt, ist in der 6 dargestellt. Die stoffschlüssige Verbindung wird
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
mit einer Kehlnaht oder mit einer äußeren Ecknaht realisiert.
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Die 7 und 8 zeigen Ausschnitte und
Detailansichten eines Steges 4 mit Materialschwächungen 14,
wobei in der 7 beidseitig
einander gegenüberliegend
Materialschwächungen 14 in
Gestalt von Nuten oder Ausnehmungen ausgebildet sind, während in
der 8 eine solche Materialschwächung in
Gestalt einer Nut nur einseitig ausgebildet ist. Je nach Biegerichtung
und Verformungsgrad kann eine entsprechende Materialschwächung in dem
Steg 4 einseitig oder beidseitig bei der Herstellung des
Profilträgers 1 bereits
eingearbeitet, z.B. eingewalzt werden. Selbstverständlich ist
ein Biegen des Steges 4 auch ohne Nut oder Ausnehmung 14 möglich. Der
Steg 4 kann zudem mit regelmäßig oder unregelmäßig zueinander
beabstandeten Durchbrüchen
versehen sein, so dass ein sog. Wabenträger vorliegt. Die Knicklinien
laufen dabei durch die Stegdurchbrüche, ggf. ist die Zugänglichkeit
zu dem Hohlprofil verbessert.
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Wichtig bei allen dargestellten Hohlprofilen ist,
dass eine Flanschhälfte
bzw. ein Flanschabschnitt über
das Hohlprofil übersteht,
so dass an den überstehenden
Flanschabschnitten leicht und einfach eine Verschraubung stattfinden
kann. Um eine symmetrische Verschraubung auch im Inneren des Hohlprofiles
zu ermöglichen,
können
die Schenkel bzw. der Steg 4 Ausnehmungen in Gestalt von
Handlöchern
aufweisen, so dass ein symmetrische Verschraubung der Flansche 2, 3 über Laschen
oder dergleichen erfolgen kann. Der Stabilitätsverlust, der durch die Handlöcher entsteht,
wird durch den Zugewinn an Stabilität durch das im übrigen geschlossene Hohlprofil
mehr als ausgeglichen.
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Vorteilhafterweise wird der Spalt
zwischen den Flanschkanten 12, 13 über die
gesamte Länge verschweißt, alternativ
können
absatzweise Verschweißungen erfolgen.
Alternativ zu einer stoffschlüssigen
Verbindung der Flansche 2, 3 können diese auch über Verschraubungen
oder Vernietungen oder dergleichen ausgeführt werden.
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In der 9 ist
ein L-Träger 1,
in den ein T-Träger
dergestalt eingeschweißt
ist, dass ein dreieckiger, geschlossener Profilquerschnitt 10 ausgebildet
wird, dargestellt. Flanschabschnitte 22 und 23 stehen über den
dreieckigen Profilquerschnitt 10 hinaus, wobei der Steg
des eingeschweißten
T-Trägers nach
außen
zeigt und ungefähr
auf der Winkelhalbierenden der Schenkel des L-Profils verläuft.
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10 zeigt
zwei verschweißte
T-Träger 1, 100,
wobei das Verschweißen
an den Flanschkanten und den Stegkanten erfolgt, so dass ein quadratischer
Profilquerschnitt 10 realisiert wird. Alternativ zu dem
Verschweißen
an den Flanschkanten und den Stegkanten ist es möglich, das gleiche Profil durch die
Kombination zweier L-Profile zu erhalten.
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11 zeigt
ein L-Profil mit einem eingeschweißten Flachmaterial, so dass
ein dreieckiger, geschossener Profilquerschnitt 10 realisiert
ist. Bei der 12 ist
ein U-Profil mit den parallelen Schenkeln in ein L-Profil eingeschweißt, so dass
ein fünfeckiger,
geschlossener Profilquerschnitt 10 erhalten wird.
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In der 13 ist
ein Y-Träger
in ein L-Profil eingeschweißt,
wobei die Flanschkanten des Y-Trägers
an den Schenkeln des L-Profils angeordnet sind. Der Steg des Y-Trägers verläuft auf
der Winkelhalbierenden des L-Profils und zeigt nach außen. In der 14 sind zwei T-Träger 1, 100 in
einem Flachmaterial 30 eingeschweißt, so dass dieses Fachmaterial 30 durch
den geschlossenen Profilquerschnitt 10 hindurchgeht und
diesen in zwei Dreiecke teilt.
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In der 18 ist
ein U-Profil dergestalt in einen L-Träger eingeschweißt, dass
die parallelen Schenkel nach außen
zeigen, so dass ein dreieckiger Profilquerschnitt 10 realisiert
wird.
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In der 21 ist
ein L-Profil mit einem eingeschweißten Doppel-T-Träger gezeigt,
wobei zwei Flanschkanten eines Flansches an den Schenkeln des L-Profils
verschweißt
sind.
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In der 22 ist
eine Kombination dreier T-Träger
dargestellt, die ähnlich
der 14 aufgebaut ist,
allerdings wird das Flachmaterial 30 durch den Steg des
dritten T-Trägers
gebildet.
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Allen Hohlprofilquerschnitten der 9 bis 14, 18 und 21 sowie 22 ist gemein, dass
die überstehenden
Flanschabschnitte 22, 23 in einem rechten Winkel
zueinander verlaufen, so dass vorzugsweise viereckige Konstruktionen
mit solchen Hohlprofilen errichtet werden können.
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In der 15 ist
ein Profil dargestellt, das dem der 9 entspricht,
allerdings ist das L-Profil in einem Winkel von 60° ausgebildet,
so dass der geschlossene Profilquerschnitt 10 ein gleichseitiges Dreieck
ausbildet.
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Der Querschnitt der 16 entspricht dem Aufbau des Querschnittes
der 10, allerdings sind die
Flansche der beiden T-Profile in einem Winkel von 60° zueinander
ausgebildet, so dass ein drachenförmiger Profilquerschnitt 10 vorliegt.
Alternativ zu der Ausbildung des Hohlprofils aus zwei T-Trägern ist
es vorgesehen, ein L-Profil mit einem eingeschlossenen Winkel von
60° und
einem entsprechenden Winkelprofil auszubilden, wobei das Winkelprofil
in den Winkel des L-Trägers eingesetzt
ist.
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Die 17 zeigt
ein Hohlprofil aus einem L-Träger 1 mit
einem eingesetzten Flachstahl, so dass ein dreieckiger Profilquerschnitt 10 ausgebildet ist. 19 zeigt eine Variante der
Ausbildung gemäß 16, wobei ein auf der Winkelhalbierenden
der überstehenden
Profilabschnitte 22, 23 liegender Steg entweder
von einem Y-Profil ausgebildet ist, das in das L-Profil eingeschweißt ist.
Alterna tiv und zu dieser zweiteiligen Ausführung ist das Hohlprofil gemäß 19 aus drei Elementen herzustellen,
in dem zwei T-Träger
an den Stegen und je einer Flanschseite miteinander verschweißt werden
und ein Bandeisen oder Flachmaterial an der Verbindungsstelle der
Stege angeschweißt
wird.
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20 zeigt
eine Variante des Hohlprofils gemäß 14, bei dem die Profilabschnitte 22, 23 in einem
Winkel von 60° zueinander
liegen; gleiches gilt für
die 23 und 24, die analog zu den 21 und 22 ausgebildet sind.
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In der 25 ist
ein Profilträger 1 dargestellt, der
in der Mitte des Steges 4 eine Materialanhäufung aufweist,
die vorzugsweise durch einen Walzvorgang hergestellt wurde. An der
Oberkante und Unterkante der Materialanhäufung oder der Verdickung des
Steges 4 wird der Profilträger gebogen, so dass die Flanschkanten
der Flansche 2 und 3 einander gegenüberliegen
oder aufeinander aufliegen und unter einem Winkel α miteinander
verschweißt
werden können.
Vorteilhafterweise sind die Flanschkanten der Flansche 2 und 3 mit
einem entsprechenden Profil versehen, insbesondere mit einer angewalzten
Fase, so dass das Verschweißen
der Flansche besonders einfach stattfinden kann, da die Flanschkanten
auf einer größeren Fläche aufeinander
aufliegen. Durch die Materialverdikkung des Steges 4 wird
im Endzustand des Hohlprofils eine größere Wandstärke in dem Bereich des Profils
erreicht, der der Verbindungskante der Flansche 2, 3 gegenüberliegt.
Um Spannungen beim Biegen des Steges 4 zu vermeiden, sind
Materialschwächungen
an den Oberkanten und Unterkanten der Materialverdikkung des Steges 4 angebracht.
Diese können
eingefräst
oder eingewalzt sein.