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Die
Erfindung betrifft ein Befestigungselement zur Verankerung in einem
kurzen, nicht hinterschnittenen Sackloch gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem
derartigen Befestigungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
4 und ein Verfahren zur Verankerung eines derartigen Befestigungselements
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7. Das Befestigungselement ist insbesondere dazu vorgesehen,
eine Befestigungsmöglichkeit an
einem plattenförmigen
Bauteil beispielsweise aus Baustahl oder Aluminium zu schaffen,
um ein weiteres Bauteil daran befestigen zu können. Dabei soll das plattenförmige Bauteil
nicht durchbohrt werden, weswegen eine nur vergleichsweise kurze
Verankerungstiefe zur Verfügung
steht, insbesondere wenn ein Durchmesser des Sacklochs ungefähr gleich groß wie eine
Dicke des Bauteils ist. Kurz ist im Verhältnis zum Durchmesser des Sacklochs
zu verstehen. Das Befestigungselement besteht vorzugsweise aus einem
nicht rostenden Stahl, beispielsweise A4-Stahl.
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Aus
der
EP 440 896 B1 ist
ein Befestigungselement bekannt, das zur Verankerung in einem hinterschnittenen
Bohrloch in einem plattenförmigen Bauteil,
beispielsweise einer Fassadenplatte vorgesehen ist. Das bekannte
Befestigungselement weist einen Schaft mit einem Spreizkonus an
einem Schaftende auf, der sich in Richtung vom Schaft weg erweitert.
Auf dem Schaft befindet sich ein in Seitenansicht gesehen wellenförmig gebogener
Ring, der zur Verankerung auf den Spreizkonus aufgeschoben wird
und sich dadurch aufweitet. Der aufgeweitete Ring hintergreift die
Hinterschneidung des Bohrlochs. Das bekannte Befestigungselement
lässt sich zwar
in einer Platte verankern, die verhältnismäßig dünn im Verhältnis zu einem Bohrlochdurchmesser sein
kann, es hat jedoch den Nachteil, dass es eine Hinterschneidung
zur Verankerung benötigt.
Die Herstellung der Hinterschneidung erfordert einen zusätzlichen
Aufwand.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungselement
vorzuschlagen, das in einem nicht hinterschnittenen Sackloch befestigbar
ist. Dabei soll ein im Verhältnis
zum Durchmesser kurzes Sackloch zur Befestigung genügen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Befestigungselement
weist eine rohrförmige,
geschlitzte oder ungeschlitzte Spreizhülse auf, die sich auf dem Schaft
befindet und auf dem Schaft verschiebbar ist. Die Spreizhülse weist
einen Innenkonus auf, dessen Konuswinkel spitzer als ein Konuswinkel
des Spreizkonus ist. Zum Verankern im Sackloch wird das Befestigungselement
mit dem Spreizkonus voraus in das Sackloch eingesetzt und die Spreizhülse auf
den Spreizkonus aufgeschoben. Beim Aufschieben weitet der Spreizkonus
die Spreizhülse
in deren dem Spreizkonus zugewandten Stirnbereich auf. Der aufgeweitete
Stirnbereich drückt sich
in eine Lochwandung des Sacklochs ein und verankert dadurch das
Befestigungselement im Sackloch. Es entsteht eine form- und kraftschlüssige Verbindung
zwischen der im vorderen Stirnbereich aufgeweiteten Spreizhülse und
dem Sackloch, wodurch eine hohe Verankerungskraft auch in einem
kurzen Sackloch erreicht wird.
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Dadurch
dass der Konuswinkel der Spreizhülse
spitzer als ein Konuswinkel des Spreizkonus ist, sitzt die Spreizhülse beim
Aufschieben auf den Spreizkonus zunächst nur im Bereich ihres vorderen, dem
Spreizkonus zugewandten Stirnbereichs auf dem Spreizkonus auf. Die
Spreizhülse
wird zunächst in
ihrem vorderen Stirnbereich aufgeweitet und in die Lochwandung gedrückt. Erst
mit zunehmendem Aufschieben auf den Spreizkonus setzt sich die Aufweitung
der Spreizhülse
vom vorderen, dem Spreizkonus zugewandten Stirnbereich beginnend
bis in einen etwa mittleren Bereich der axial kurzen Spreizhülse fort.
Die Aufweitung der Spreizhülse
im vorderen Stirnbereich hat den Vorteil, dass eine Aufweitkraft
klein ist, weil die Spreizhülse
nur über
einen kurzen Teil ihrer axialen Länge aufgeweitet wird, und dass
die Kraft, mit der die Spreizhülse
in die Lochwandung gedrückt
ist, groß ist,
weil die Spreizhülse nur
im vorderen Stirnbereich und somit mit einer vergleichsweise kleinen
Ringfläche
in die Lochwandung eingedrückt
wird. Als Vorteil ergibt sich eine stabile Verankerung bei vergleichsweise
niedriger Aufweitkraft. Dieser Effekt wird unterstützt durch
eine dünnwandige
Spreizhülse
und/oder eine geschlitzte Spreizhülse. Im Vergleich mit einer
geschlitzten Spreizhülse
hat eine ungeschlitzte Spreizhülse
zwar den Nachteil einer größeren Aufweitkraft,
jedoch den Vorteil einer größeren und
in Umfangsrichtung durchgehenden nicht durch Schlitze unterbrochenen
Anlage an der Lochwandung. Es werden deswegen sowohl eine geschlitzte
als auch eine ungeschlitzte Spreizhülse als erfindungsgemäß angesehen.
Weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Befestigungselements ist
eine Abstützung
seines Schafts gegen Querkräfte
durch die Spreizhülse
im Bohrloch.
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Das
erfindungsgemäße Befestigungselement
ist insbesondere zur Verankerung in Baustahl, Aluminium oder dgl.
vorgesehen, es eignet sich aber auch zur Verankerung in anderen
Werkstoffen, beispielsweise Beton. Um das Aufschieben der Spreizhülse auf
den Spreizkonus und das dadurch bewirkte Aufweiten der Spreizhülse zu erleichtern
kann der Spreizkonus mit einem Schmiermittel versehen sein.
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Zur
Erzielung hoher Verankerungswerte hat sich ein Konuswinkel des Spreizkonus
im Bereich von etwa 14° bis
20°, vorzugsweise
von etwa 17° als günstig gezeigt.
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Um
das Befestigungselement mit kurzer Verankerungstiefe und trotzdem
hoher Verankerungskraft verankern zu können sieht eine Ausgestaltung der
Erfindung eine axial kurze Spreizhülse vor, deren Spreizbereich
sich über
mehr als eine Hälfte
ihrer axialen Länge
erstreckt. Die axiale Länge
des Spreizbereichs entspricht einer axialen Länge des Innenkonus der Spreizhülse und/oder
einer axialen Länge
der Schlitze, sofern die Spreizhülse
Schlitze aufweist. Axial kurz ist im Verhältnis zu einem charakteristischen
Durchmesser des Befestigungselements zu verstehen. Charakteristische
Durchmesser des Befestigungselements sind sein Schaftdurchmesser oder
ein Außendurchmesser
der unverformten Spreizhülse.
Die axiale Länge
der Spreizhülse
entspricht bei einer Ausgestaltung der Erfindung ungefähr ihrem
Außendurchmesser,
bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sogar nur ungefähr 2/3 des
Außendurchmessers.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht eine dünnwandige Spreizhülse vor.
Dabei ist dünnwandig ebenfalls
im Verhältnis
zu einem charakteristischen Durchmesser des Befestigungselements
zu sehen. Eine Wandstärke
der Spreizhülse
liegt beispielsweise etwa im Bereich von 1/4 bis 1/6 eines Schaftdurchmessers
des Befestigungselements. Eine dünnwandige
Spreizhülse
lässt sich
mit geringer Kraft verformen, d.h. eine zum Aufweiten der Spreizhülse erforderliche
Kraft ist niedrig und eine Kraft, mit der sich die Spreizhülse in eine
Lochwandung eindrückt
ist bei vorgegebener Aufweitkraft groß.
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Zum
Schutz vor Korrosion sieht eine erfindungsgemäße Anordnung vor, die Spreizhülse beim Verankern
des Befestigungselements in einem Loch um beispielsweise etwa 0,5
bis 1 mm zu versenken. Dadurch entsteht eine den Schaft des Befestigungselements
umgebende Ringnut auf einer hinteren, dem Spreizkonus abgewandten
Stirnseite der Spreizhülse.
In die umlaufende Nut wird erfindungsgemäß eine Dichtmasse eingebracht.
Korrosion im Loch kann stattfinden, wenn und weil das Befestigungselement
aus einem anderen Werkstoff als ein Bauteil besteht, in dem das
Befestigungselement verankert ist. Das Befestigungselement bildet
ein galvanisches Element mit dem Bauteil. Korrosion kann in diesem
Fall auch auftreten, wenn sowohl das Befestigungselement als auch
das Bauteil aus an sich nicht rostenden Werkstoffen bestehen, wenn
also beispielsweise das Befestigungselement aus A4-Stahl und das
Bauteil, in dem das Befestigungselement verankert ist, aus Aluminium
(gemeint ist insbesondere eine Aluminiumlegierung) bestehen.
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Als
Verankerungstiefe genügen
etwa ein Durchmesser eines Lochs, in dem das Befestigungselement
verankert ist, in weiterer Ausgestaltung der Erfindung genügen sogar
etwa 2/3 des Durchmessers des Lochs. Der Durchmesser des Lochs stimmt nahezu
mit einem Durchmesser der unverformten Spreizhülse überein, der Durchmesser des
Lochs ist vorzugsweise geringfügig
größer um die
Spreizhülse mit
Spiel in das Loch einbringen zu können. Die geringen Verankerungstiefen
lassen sich unabhängig von
der Abdichtung am Schaft des Befestigungselements verwirklichen.
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Zum
Aufweiten der Spreizhülse
zur Verankerung des Befestigungselements in einem Loch wird eine
Axialkraft auf die Spreizhülse
ausgeübt,
die die Spreizhülse
auf den Spreizkonus schiebt. Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 7 sieht vor, dass eine zur Ausübung der Axialkraft erforderliche
Reaktionskraft in den Schaft des Befestigungselements eingeleitet
wird. Eine Abstützung
zur Aufbringung der Axialkraft erfolgt also am Schaft des Befestigungselements.
Es entsteht ein geschlossener Kraftkreislauf ohne dass äußere Kräfte auftreten.
Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass das Befestigungselement
nicht gegen die zum Schieben der Spreizhülse auf den Spreizkonus aufzubringende
Axialkraft abgestützt werden
muss. Ein Bauteil, in dem das Befestigungselement verankert wird,
muss also zum Verankern nicht gegengehalten werden, auch wenn das
Bauteil eine dünne
Platte ist. Des Weiteren lässt
sich das Befestigungselement mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch in einem tiefen Sackloch oder in einem Durchgangsloch verankern,
weil sich der Spreizkonus nicht an einem Lochgrund abstützen muss.
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Erfindungsgemäß lässt sich
die Reaktionskraft in den Schaft des Befestigungselements einleiten,
indem eine Mutter auf den Schaft aufgeschraubt wird. Dazu ist ein
Außengewinde
des Schafts erforderlich. Durch Drehen der aufgeschraubten Mutter auf
dem Schaft wird die Axialkraft auf die Spreizhülse ausgeübt. Zwischen der Mutter und
der Spreizhülse kann
eine Hülse
aufgesetzt sein, die die Axialkraft von der Mutter auf die Spreizhülse überträgt. Die
Hülse ist
erforderlich, wenn sich ein gewindeloser Schaftabschnitt zwischen
der hinteren Stirnseite der Spreizhülse und der Mutter befindet.
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Um
das Befestigungselement beim Drehen der Mutter auf dem Schaft gegen
Mitdrehen halten zu können
sieht eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, zwei Kontermuttern
auf den Schaft zu schrauben und gegeneinander fest zuspannen. An
den Kontermuttern kann der Schaft mittels eines Mutterndrehwerkzeugs,
beispielsweise eines Gabel- oder Ringschlüssels, drehfest gehalten werden.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Spreizhülse einen
Stahl großer
Härte auf, beispielsweise
ist sie aus einem legierten, nicht rostenden Stahl (beispielsweise
A4-Stahl) hergestellt. Es genügt
auch eine örtlich
erhöhte
Härte des
Stahls außen
in dem dem Spreizkonus zugewandten Stirnbereich der Spreizhülse, der
sich beim Aufweiten der Spreizhülse
in die Lochwandung eindrückt.
Mit großer
Härte ist
insbesondere eine Härte
der Spreizhülse
gemeint, die größer ist
als die Härte
von Baustahl, damit sich das Befestigungselement mit hoher Verankerungskraft
in Baustahl verankern lässt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Befestigungselement
im Axialschnitt, wobei auf der linken Seite der unverankerte und
auf der rechten Seite der verankerte Zustand gezeigt ist; und
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2 und 3 Vergrößerungen
der mit Pfeilen II, III in 1 bezeichneten
Einzelheiten, wobei 2 den unverankerten und 3 den
verankerten Zustand des Befestigungselements zeigt.
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Das
in 1 dargestellte, insgesamt mit 10 bezeichnete
erfindungsgemäße Befestigungselement
weist einen Schaft 12 mit einem Spreizkonus 14 an
einem Ende auf, der sich in Richtung vom Schaft 12 weg
erweitert. Des Weiteren weist das Befestigungselement 10 eine
rohrförmige
Spreizhülse 16 auf,
die auf dem Schaft 12 verschiebbar ist. Die Spreizhülse 16 und
der Schaft 12 mit dem Spreizkonus 14 bestehen
aus einem nicht rostenden A4-Stahl, also aus einem Stahl großer Härte. Die Spreizhülse 16 kann
von ihrer vorderen, dem Spreizkonus zugewandten Stirnseite her geschlitzt
sein um sie leichter aufweiten zu können (nicht dargestellt).
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Die
Spreizhülse 16 weist
einen Innenkonus 18 auf, der sich in gleicher Richtung
wie der Spreizkonus 14, also in Richtung des Spreizkonus 14 erweitert.
Ein Konuswinkel des Innenkonus 18 ist spitzer als ein Konuswinkel
des Spreizkonus 14, der einen Konuswinkel von etwa 17° aufweist.
Durch die unterschiedlichen Konuswinkel sitzt die Spreizhülse 16, wenn
sie auf den Spreizkonus 14 geschoben wird, zuerst mit ihrem
dem Spreizkonus 14 zugewandten Stirnrand auf dem Spreizkonus 14 auf.
Dies ist in 1 links und in der Vergrößerung in 2 zu
sehen, die beide den unverankerten Zustand zeigen. Die Spreizhülse 16 sitzt
also nicht gleich über
ihre gesamte axiale Länge
mit ihrem Innenkonus 18 auf dem Spreizkonus 14 auf,
wenn sie auf den Spreizkonus 14 geschoben wird. Die Spreizhülse 16 lässt sich
dadurch leichter an ihrem dem Spreizkonus 14 zugewandten
Stirnrand radial nach außen
aufweiten, wenn sie auf den Spreizkonus 14 aufgeschoben
wird.
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Auf
ihrer Außenseite
ist die Spreizhülse 16 in einem
dem Spreizkonus 14 zugewandten Stirnbereich mit einem eine
Aufrauung bildenden Kreuzrändel 20 versehen.
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Die
rechte Seite von 1 und die Vergrößerung in 3 zeigen
eine erfindungsgemäße Befestigungsanordnung
mit dem Befestigungselement 10, d. h. den verankerten Zustand
des Befestigungselements 10. Das Befestigungselement 10 wird
mit seinem Spreizkonus 14 in ein ursprünglich zylindrisches, nicht
mit Bezugszahl versehenes Sackloch in einem Bauteil, beispielsweise
einer Baustahlplatte 22 eingesetzt. Die Spreizhülse 16 wird
auf den Spreizkonus 14 aufgeschoben. Das Aufschieben der
Spreizhülse 16 auf
den Spreizkonus 14 kann mit einem nicht dargestellten,
rohrförmigen
Setzwerkzeug, das über
den Schaft 12 auf eine dem Spreizkonus 14 abgewandte
Stirnseite der Spreizhülse 16 aufgesetzt wird,
und mit einem nicht dargestellten Hammer, erfolgen. Mit Hammerschlägen wird
die Spreizhülse 16 auf
den Spreizkonus 14 geschoben, wobei in diesem Fall das
Aufschieben treffender als Auftreiben bezeichnet wird. Beim Aufschieben
auf den Spreizkonus 14 weitet der Spreizkonus 14 die
Spreizhülse 16 beginnend
an ihrem dem Spreizkonus 14 zugewandten vorderen Stirnrand
in dem dem Spreizkonus 14 zugewandten Stirnbereich radial
nach außen
auf. Die Spreizhülse 16 drückt sich
aufgrund ihrer größeren Härte in ihrem
dem Spreizkonus 14 zugewandten Stirnbereich in eine Lochwandung
des ursprünglich zylindrischen
und nicht hinterschnittenen Sacklochs ein und verankert das Befestigungselement 10 form- und
kraftschlüssig
in der Baustahlplatte 22. Beim Aufweiten der Spreizhülse 16 wird
auch der Kreuzrändel 20 in
die Lochwandung in der Baustahlplatte 22 eingedrückt und
verbessert die Verankerung des Befestigungselements 10 in
der Baustahlplatte 22.
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Eine
andere Möglichkeit,
um die Spreizhülse 16 aufzuweiten,
besteht darin, ein nicht dargestelltes Rohrstück auf den Schaft 12 aufzusetzen
und eine ebenfalls nicht dargestellte Mutter auf ein Gewinde 24 des
Schafts 12 zu schrauben. Über das Rohr übt die Mutter
eine Axialkraft auf die Spreizhülse 16 aus, die
die Spreizhülse 16 auf
den Spreizkonus 14 schiebt und aufweitet und dadurch das
Befestigungselement 10 in vorstehend beschriebener Weise
in dem Loch in der Baustahlplatte 22 verankert. Dieses Verankerungsverfahren
hat den Vorteil, dass keine äußeren Kräfte wirken,
d. h. das Befestigungselement 10 muss nicht auf einem Grund
des Lochs, in dem es verankert wird, aufsitzen und das Befestigungselement 10 muss
nicht gegen die zum Aufweiten auf die Spreizhülse 16 ausgeübte Axialkraft
abgestützt
werden. Die Baustahlplatte 22 muss deswegen nicht abgestützt werden,
wie es beim Aufweiten der Spreizhülse 16 mit Hammerschlägen der
Fall ist. Außerdem
ermöglicht
das beschriebene Verankerungsverfahren eine Verankerung in einem
tiefen Sackloch, in dem das Befestigungselement 10 nicht
auf einem Lochgrund aufsitzt, oder die Verankerung in einem Durchgangsloch.
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Zur
Abdichtung des Lochs in der Baustahlplatte 22 wird die
Spreizhülse 16 wie
auf der rechten Seite von 1 zu sehen,
um beispielsweise etwa 0,5 bis 1 mm in die Baustahlplatte 22 versenkt.
Dadurch ergibt sich eine den Schaft 12 des Befestigungselements 10 umschließende Ringnut 26,
die mit einer Dichtmasse 28 gefüllt wird.
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Die
Spreizhülse 16 stützt das
Befestigungselement 10 gegen Querbeanspruchungen ab.
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Mit
der in der Zeichnung dargestellten Befestigungsanordnung ist in
einfacher Weise eine Möglichkeit
zur Befestigung eines weiteren, nicht dargestellten Bauteils an
der Baustahlplatte 22 geschaffen. Eine Verankerungstiefe
t ist nicht größer als
etwa ein Außendurchmesser
der Spreizhülse 16,
vorzugsweise ist die Verankerungstiefe t sogar nur etwa 2/3 des Außendurchmessers
der Spreizhülse 16.
Es ist eine standardisierte Baureihe der Befestigungselemente 10 mit
Schaftdurchmessern von 4, 5, 6, 8 und 10 mm bzw. Gewindedurchmessern
des Gewindes 24 von M4, M5, M6, M8 und M10 vorgesehen.
Eine Wanddicke der Spreizhülse
ist 1 mm, bei den großen
Durchmessern ab M8 kann die Wanddicke auch 1,5 mm sein. Ein Außendurchmesser
der Spreizhülse 16 und des
Lochs in der Baustahlplatte 22 ist damit bei den angegebenen
Durchmessern 6, 7, 8, 10 bzw.
11 und 12 bzw. 13 mm. Die entsprechende Mindestverankerungstiefe
t ist 3,5 mm bei einem Gewindedurchmesser von M4, 4,0 mm bei einem
Gewindedurchmesser von M5 und M6, 6,0 mm bei einem Gewindedurchmesser
von M8 und 7,0 mm bei einem Gewindedurchmesser von M10.