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Die
Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum gegenseitigen biegesteifen
Anschluss von Bauelementen wie Trägern, Stützen und dergleichen insbesondere
im Stahlhochbau und Stahlbetonfertigteilbau, wobei zwei aneinander
anzuschließende Bauelemente über eine
Steckverbindung aneinander festlegbar sind und wobei dem ersten
der beiden Bauelemente ein Steckelement und dem zweiten Bauelement
eine das Steckelement zumindest in Zug- und Druckrichtung sowie
in einer Querkraftrichtung formschlüssig umgreifende Steckaufnahme
zugeordnet ist.
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Vor
allem im Stahlbau, aber auch sonst im Stahlbetonbau und beispielsweise
beim Anschließen eines
Stahl- oder Holzträgers
an einen Stützpfeiler besteht
ein Problem darin, dass zwei aneinander anzuschließende Bauelemente
zur Herstellung eines stabilen Gerüsts bzw. Gebildes biegesteif
miteinander verbunden werden, um eine Instabilität des Systems auszuschließen bzw.
um das Tragverhalten zu verbessern.
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Übliche biegesteife
Anschlüsse
werden durch Schweißverbindungen
oder Kopfplattenstöße hergestellt,
was aber insbesondere im Falle eines Verschweißens auf der Baustelle einen
vergleichsweise großen
Aufwand bedeutet, vor allem wenn die Bauelemente größere Längen und/oder
Gewichte besitzen. Ein wesentlicher Nachteil beim Herstellen eines
biegesteifen Anschlusses durch Verschweißen besteht außerdem in
der Unlösbarkeit
dieser stoffschlüssigen
Verbindung.
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Neben
dem Verschweißen
gibt es in jüngerer Zeit
den beispielsweise in der
DE-A-197 38 289 offenbarten
Vorschlag, einen biegesteifen Anschluss durch Steck verbindung unter
Verwendung eines sogenannten Sigma-Knotens herzustellen. Hierbei
wird ein kompliziertes Gebilde polygonaler Körper und Aussparungen mit jeweils
pyramidenstumpfartigen Verjüngungen
keilähnlich
ineinandergesteckt und ineinander festgelegt. Die hierbei entstehende
biegesteife und spielfreie Anschlussverbindung erfordert das Einhalten
kleinster Toleranzen, um die Biegesteifigkeit herzustellen bzw.
aufrecht zu erhalten und um die Montierbarkeit sicherzustellen.
Es ist unschwer erkennbar, dass es einen unverhältnismäßig großen Aufwand bedeutet, solche
kleinste Toleranzen (die beispielsweise im Zehntelmillimeterbereich
liegen) vor allem dann einzuhalten, wenn die aneinander anzuschließenden Bauelemente
große
Querschnitte und auch große
Längen
aufweisen.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine biegesteife Anschlussverbindung der eingangs genannten Art ohne
bedeutende Anforderungen an Toleranzen bzw. Genauigkeit der aneinander
anzuschließenden
Bauelemente zur Verfügung
zu stellen, wobei sich durch ein vorgegebenes Spiel Toleranzen sogar
ausgleichen lassen sollen. Somit stehen sich zwei an sich widersprüchliche
Anforderungen gegenüber,
nämlich zum
einen eine große
Toleranzausgleichsmöglichkeit und
zum anderen dennoch Biegesteifigkeit des Anschlusses.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass zwischen dem Steckelement und der Steckaufnahme eine Fuge belassen
ist, und dass die Fuge zumindest in Druckkraftrichtung – und gegebenenfalls
auch in Zugkraftrichtung – zumindest
teilweise mit druckstabilem Füllmaterial
gefüllt
ist. Das Verbindungselement besteht somit erfindungsgemäß nunmehr
aus drei Teilen, nämlich
dem Steckelement einerseits und der Steckaufnahme andererseits sowie
dem in die Fuge zwischen Steckelement und Steckaufnahme einzufüllenden
bzw. einzubringenden druckstabilen Füllmaterial, das bevorzugterweise
in fluidem, jedenfalls aber noch nicht ausgehärtetem formbaren Zustand in
die für
die Druckkraftübertragung
und gegebenenfalls auch für
die Querkraftübertragung
relevanten Bereiche der Fuge eingebracht wird und sich so exakt
der Fugenform anpasst, das in der Fuge abbindet bzw. aushärtet und
hierbei den Zwischenraum zwischen Steckelement einerseits und Steckaufnahme
andererseits spielfrei überbrückt und
demzufolge nach dem Abbinden bzw. Aushärten eine direkte druckstabile
Druckkraftübertragung
und gegebenenfalls auch Zugkraftübertragung
herstellt.
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Hierbei
kann die Fuge zwischen Steckelement und Steckaufnahme, also der
vom Füllmaterial zu überbrückende Abstand
zumindest in der Größenordnung
von Millimetern bis hin zu mehreren (beispielsweise 5 bis 6) Zentimetern
bestehen. Dementsprechend können
auch die Fertigungs- und Montagetoleranzen im Millimeter- bis hin
zum Zentimeter-Bereich betragen und dennoch ist es möglich, (gegebenenfalls
nach dem Aushärten
des Füllmaterials)
einen spielfreien Anschluss zu erhalten.
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Dadurch
dass die Steckaufnahme das Steckelement zumindest in Zug- und Druckrichtung formschlüssig umgreift,
wird in erfindungsgemäßer Art
und Weise erreicht, dass nicht nur für die aufeinander zugerichteten
Druckkräfte
der Bauelemente eine spielfreie Anlage geschaffen wird, sondern
dass auch die voneinander weggerichteten Zugkräfte aufgrund eines Formschlusses
durch das Hintergreifen der Steckaufnahme in Form von Druckkräften übertragen
werden und somit das druckstabile Füllmaterial auch hier die spielfreie
und druckfeste Anlage zur Verfügung
stellt.
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Wird
also die zwischen Steckelement und Steckaufnahme belassene Fuge ähnlich einer
Gießform
mit dem druckstabilen Füllmaterial
verfüllt
und abgewartet, bis dieses ausgehärtet bzw. abgebunden ist, so
hat man zumindest in Zug- und Druckkraftrichtung und bei insbesondere
allseitiger Fugenverfüllung
auch hinsichtlich der Momente, Querkräfte und Normalkräfte Spielfreiheit
und so insgesamt einen biegesteifen Anschluss. Insgesamt ist folglich durch
das druckstabile Füllmaterial
eine ursprünglich spielbehaftete
Steckverbindung der beiden Bauelemente mit der Möglichkeit großer Toleranzen
in einen toleranzfreien biegesteifen Anschluss änderbar.
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Was
das druckstabile Füllmaterial
betrifft, so kann dieses entweder knet- oder formbar sein und aufgrund
der Kammerung durch die Steckaufnahme hochdruckfeste und/oder kriechstabile
Materialeigenschaften erhalten, um so die Druckkraftübertragung gewährleisten
zu können.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch insbesondere hinsichtlich Handhabbarkeit, wenn
das Füllmaterial
aus gießfähigem aushärtbarem
Material besteht und hierbei beispielsweise die Steckaufnahme als
verlorene Schalung für
das Füllmaterial
fungiert. Auch in diesem Fall sollte als Füllmaterial ein solches Material
gewählt
werden, welches nach dem Aushärten
hochdruckfest und/oder kriechstabil ist, um die geforderte Biegesteifigkeit
zu gewährleisten.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das druckstabile Füllmaterial aus hochfestem oder
gar ultrahochfestem Beton besteht. Ein solcher Beton ist kostengünstig herstellbar
bzw. erhältlich
und erfüllt
die an das vorliegende Füllmaterial
zur Gewährleistung einer
Biegesteifigkeit gesetzten Anforderungen in vollem Umfang.
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Der
ultrahochfeste Beton weist zur Optimierung seiner uniaxialen Druckfestigkeit,
die in der Größenordnung
von mind. 120 bis 140 N/mm2 liegt, einen
Querschnitt der Zuschlagstoffe von kleiner oder gleich 0,5 mm auf.
Hierdurch und durch die mit der Verbindung einhergehende Kammerung,
die einen 3D-Spannungszustand
im Werkstoff erzeugt, erhält der
ultrahochfeste Beton – zumindest
was die Druckfestigkeit anbelangt – Eigenschaften nahezu wie Stahl
und entspricht somit in seiner Druckfestigkeit zumindest fast der
stoffschlüssigen
Schweißverbindung
des Standes der Technik.
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Während bisher
die Fertigungs- und Montagetoleranzen im Mikrometerbereich liegen
mussten, um einen möglichst
spielfreien gegenseitigen Anschluss zweier Bauelemente zu ermöglichen,
können nun
mit dem erfindungsgemäß verwendeten
ultrahochfesten Beton Fugen von mehreren Millimetern bis hin zu
(beispielsweise 5 bis 6) Zentimetern überbrückt werden.
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Demgemäß können die
im Stahlbau und Stahlbetonbau üblichen
hochkomplizierten Anschlusstechniken zur Herstellung einer biegesteifen Anschlussverbindung
wie etwa Verschraubungen, Verschweißungen, Muffen, Dübelkreise
oder ähnliche
Anschlusstechniken ersetzt werden durch eine einfache Steckverbindung,
die aufgrund der Gießverbindung
dennoch spielfrei und ebenso druckfest ist. Gleichzeitig ist die
erfindungsgemäße Anschlussverbindung äußerst kostengünstig und
darüber
hinaus auch baustellentauglich.
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Der
eingangs erwähnte
Formschluss kann – ähnlich der
Ausführungsform
bei dem Sigma-Knoten des Standes der Technik – dadurch hergestellt sein, dass
die Steckaufnahme des zweiten Bauelements aus einem in Richtung
des ersten Bauelements offenen C-Profil besteht, und dass das Steckelement
aus einem in seinem Querschnitt an die Größe der Aussparung innerhalb
des C-Profils der Steckaufnahme angepassten T-Profil besteht, so
dass bei ineinandergestecktem Steckelement und Steckaufnahme die beiden äußeren T-Schenkel
zumindest in Druckkraftrichtung von den aufeinander zu verlaufenden C-Schenkeln
formschlüssig
umgriffen bzw. hintergriffen sind. Hierbei stützt sich das Steckelement nicht nur
in Druckrichtung, sondern auch in Zugrichtung an der Steckaufnahme
ab.
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Im
Gegensatz zu der eingangs erwähnten durch
Verschweißen
hergestellten biegesteifen Anschlussverbindung ist im Falle des
ultrahochfesten Betons die gegenseitige Verbindung lösbar, wenn
der ultrahochfeste Beton durchtrennt oder gar aus der Fuge entfernt
wird.
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Was
die C- und T-förmige
Profilierung betrifft, so muss sich diese nicht über die gesamte Höhe der Stirnseiten
bzw. Anschlussseiten der beiden Bauelemente erstrecken; es ist vielmehr
auch möglich,
dass jeweils auf zwei unterschiedlichen Höhenniveaus jeweils ineinandergreifende
C-förmige
und T-förmige Profilierungen
vorgesehen sind, wobei die beiden Höhenniveaus dann eine Trennung
zwischen Druckkraftübertragung
einerseits und Zugkraftübertragung andererseits
bedeuten.
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Vorzugsweise
sind die C-förmige
Profilierungsform und die T-förmige
Profilierungsform jeweils in horizontaler Ebene orientiert, also
die T-Form und die C-Form
auf eine horizontale Ebene bezogen ausgebildet. In diesem Fall erfolgt
die Steckmontage durch vertikales Ineinanderschieben der sich überlappenden
aneinander anzuschließenden
Enden der beiden Bauelemente, bis sich Steckelement einerseits und
Steckaufnahme andererseits auf gleichem Höhenniveau befinden. Es ist
jedoch auch möglich, die
Verbindung um 90° zu
drehen und so ein horizontales Ineinanderschieben zu ermöglichen.
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Um
das Verfüllen
der Fuge zwischen Steckelement und Steckaufnahme durch Beton zu
begünstigen,
empfiehlt es sich, dass die Steckaufnahme zur Rückhaltung des in die Fuge eingefüllten fluiden
Betons an ihrer Unterseite trogförmig
ausgebildet ist und die Unterseite der Fuge nach unten verschließt. Darüber hinaus
kann mit der trogförmigen
Unterseite der Steckaufnahme ein in dem Steckelement vorgesehenes
Höhenverstellelement,
insbesondere in Form einer Stellschraube zusammenwirken, um die höhengleiche
Positionierung der beiden aneinander anzuschließenden Bauelemente zu erzielen
und eine Querkraftübertragung
auch im Bauzustand zu ermöglichen.
Nach dem Aushärten
erfolgt die Querkraftübertragung über das
Füllmaterial.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen; hierbei zeigen
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1 ein
Steckelement und eine das Steckelement umgreifende Steckaufnahme
zur Bildung eines erfindungsgemäßen Verbindungselements
in Draufsicht;
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2 Steckelement
und Steckaufnahme aus 1 in an zwei aneinander anzuschließenden Bauelementen
festgelegtem Zustand in Draufsicht;
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3 die
beiden Bauelemente aus 2 in Seitenansicht;
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4 und 5 Steckelement
und Steckaufnahme aus 1 in einem an zwei alternativen Bauelementen
festgelegten Zustand in Seitenansicht und Draufsicht;
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6 und 7 eine
alternative Ausführungsform
eines Steckelements für
ein erfindungsgemäßes Verbindungselement
in Draufsicht sowie in Seitenansicht.
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In 1 ist
in Draufsicht ein T-förmiges Steckelement 1 dargestellt,
welches von einer C-förmigen
Steckaufnahme 2 so umgriffen wird, dass es in der durch
den Pfeil 3 in 1 angedeuteten Zug- und Druckkraftrichtung
formschlüssig,
jedoch mit großem Spiel
umgriffen ist. Der Pfeil 3 deutet auch durch das Spiel
begründete
Verschiebemöglichkeit
des Steckelements innerhalb der Steckaufnahme an, die die Größentoleranzen
des T-förmigen
Steckelementkopfs innerhalb der Ausnehmung der C-förmigen Steckelementkopfs
verdeutlichen soll.
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Hierbei
ist unschwer eine Verstell- bzw. Verschiebbarkeit sowohl in horizontaler
Richtung als auch in Rotationsrichtung erkennbar.
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Da
der Zwischenraum zwischen Steckelement 1 und Steckaufnahme 2,
also die Fuge 4 von einem druckfesten Füllmaterial – in den dargestellten Fällen jeweils
in Form von ultrahochfesten Beton – ausgefüllt wird, dessen Form nach
dem Abbinden der jeweiligen Position von Steckelement einerseits
und Steckaufnahme andererseits entspricht, ist es für die Qualität der Verbindung
zwischen Steckelement und Steckaufnahme unerheblich, in welcher
Position Steckelement und Steckaufnahme zueinander befindlich sind,
solange die formschlüssige
Verbindung besteht, die sicherstellt, dass der Beton sowohl die Zugkraft
als auch die Druckkraft vom Steckelement auf die Steckaufnahme weiterleitet.
Es ist hierbei anzustreben, dass die Fuge in den kritischen Bereichen eine
gewisse Mindestgröße, also
Mindestdicke aufweist, um ein vollständiges Einfüllen des ultrahochfesten Betons
in diesen Fugebereich sowie eine ausreichende Druckfestigkeit sicherzustellen.
Daneben kann aber auch ein direkter spielfreier Kontakt von Steckelement
und Steckaufnahme auftreten, der durch den Beton dauerhaft fixiert
wird, so dass auch hierbei ein biegesteifer Anschluss geschaffen
ist.
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Werden
nicht nur die für
die Zugkraftübertragung
relevanten nach innen gerichteten Enden 2a, 2b der
C-Schenkel der Steckaufnahme und die gegenüberliegende Seite der C-Basis 2c,
die für
die Druckkraftübertragung
verantwortlich ist, sowie die äußeren zugehörigen T-Schenkel 1a, 1b bzw.
der T-Kopf 1c des Steckelements 1 vom ultrahochfesten Beton
unter kompletter Verfüllung
der Fuge 4 in diesem Bereich beaufschlagt, sondern auch
die sonstigen Fugenbereiche, von denen in 1 beispielhaft die
seitlichen Fugenbereiche 4d, 4e, 4f und 4g angedeutet
sind, dann lässt
sich sicherstellen, dass auch Momente, Querkräfte und Normalkräfte sicher
durch den Beton weitergegeben werden können und so ein biegesteifer
Anschluss hergestellt wird.
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2 zeigt
nun, wie das Steckelement 1 an ein erstes Bauelement 5 und
wie die Steckaufnahme 2 an ein zweites Bauelement 6 angeschlossen
sind, wobei in die Fuge 4 in allen Fugenbereichen zwischen
Steckelement 1 und Steckauf nahme 2 ein ultrahochfester
Beton 7 eingefüllt
ist und dieser so einen biegesteifen Anschluss zwischen beiden Bauelementen
herstellt.
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3 zeigt
diesen biegesteifen Anschluss in teilweise geschnittener Seitenansicht
und deutet an, wie die Steckaufnahme 2 an ihrer Unterseite 2a trogförmig ausgebildet
ist, um die Fuge 4 nach unten zu verschließen und
den Beton 7 von einem Herausfließen im noch flüssigen Zustand
aus der Fuge 4 zu hindern. Eine Stellschraube 8,
die mit der trogförmigen Unterseite 2a der
Steckaufnahme 2 zusammenwirkt, sorgt für eine Höhenverstellbarkeit des ersten
Bauelements 5 gegenüber
dem zweiten Bauelement 6 sowie zur Übertragung von Querkräften auch
im Bauzustand.
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In 4 ist
eine 3 entsprechende Ausführungsform gezeigt mit dem
einzigen Unterschied, dass das erste Bauelement 5 aus 3,
welches aus einem massiven Stahlbetonbauteil besteht, durch einen
Doppel-T-förmigen
oder beliebigen Stahlträger 15 ersetzt
ist. In gleicher Weise ist auch das zweite Bauteil 6 aus 3,
welches ebenfalls ein Stahlbetonmassivteil ist, durch eine Doppel-T-förmige Stütze 16 ersetzt.
Ansonsten entsprechen aber – vor
allem was die Steckaufnahme 2 und das Steckelement 1 betrifft – die beiden
Ausführungsformen
einander, weshalb gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen
sind.
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In 6 und 7 ist
schließlich
dargestellt, wie man zur Materialersparnis verhindern kann, dass sich
die T-Form des Steckelements gleichförmige über große Höhenbereiche des ersten Bauelements erstrecken
muss: Dort ist ein Steckelement 21 dargestellt, welches
zweigeteilt ausgeführt
ist und aus einem T-förmigen
Zugkraftübertragungselement 21a und
einem T-förmigen
Druckkraftübertragungselement 21b besteht,
wobei das Zugkraftübertragungselement 21a oberhalb
des Druckkraftübertragungselements 21b und
somit auf einem unterschiedlichen Höhenniveau angeordnet wird.
Auch in diesem Fall ist das Steckelement 21 an einen Doppel-T-förmigen Stahlträger 25 angeschlossen,
der das erste Bauelement darstellt.
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Zusammenfassend
bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, mit einfachsten Mitteln
ein spielfreies Anschließen
von zwei Bauelementen zu ermöglichen,
ohne jedoch diese beiden Bauelemente in den jeweiligen Anschlussbereichen
zu großen
Toleranzanforderungen zu unterwerfen.