DE19828371A1

DE19828371A1 - Composite stabilizing bolt with a threaded head end and compression nut used for stabilization of rock or structures, use of bolt and manufacturing methods

Info

Publication number: DE19828371A1
Application number: DE19828371A
Authority: DE
Inventors: Alexander Bleibler; Ernesto Schuemperli
Original assignee: Sika AG Vorm Kaspar Winkler and Co
Current assignee: Sika Schweiz AG
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 1999-12-30
Also published as: ES2211084T3; EP1090207B1; WO2000000718A1; EP1090207A1; DE59907379D1; ATE252197T1; AU3929999A

Abstract

The continuous reinforcing fibers(18) extend over the entire length of the stabilizing bolt(10) including the threaded area(12) and are embedded in a matrix of a thermoplastic plastic. Independent claims are made for: a) a process for bolt production in which continuous fibers(18) are embedded in a thermoplastic plastic in a coextrusion or pultrusion process, the bar(10) is cut to length and the thread(12) formed under heat and pressure; c) a process in which a braid of dry fibers is impregnated with liquid thermoplastic and the matrix is then solidified; d) a use of the bolt for structural stabilization in a bore in a rock or construction. in which the bolt is locally heated above the flow temperature of the plastic and bonds with the bore wall. Preferred Features: The thread (12) is heat formed in the bar without creating stresses. The bolt has a hollow centre(22) and axially spaced transverse grooves(26).

Description

Die Erfindung betrifft einen Zuganker für Bauzwecke, insbesondere zur Sicherung von Felswänden, mit einem aus einem Polymer-Composite bestehenden, an seinem kopfseitigen Ende ein Gewinde aufweisenden Ankerstab zur Aufnahme einer auf das Gewinde des Ankerstabs auf schraubbaren, vorzugsweise gegen eine Druckplatte ab stützbaren Druckmutter.The invention relates to a tie rod for construction purposes, especially for securing rock faces, with a made of a polymer composite, on his a threaded anchor rod at the head end to accommodate one on the thread of the anchor rod screwable, preferably against a pressure plate sustainable pressure nut.

Zuganker dieser Art werden vor allem für die permanente Sicherung von instabilen Gebirgszonen, für die Sy stemankerung zwecks Erhöhung des Bauwiderstandes sowie für Sicherungsmaßnahmen im Untertage- und Spezialtief bau eingesetzt. Die Ankerstangen werden zu diesem Zweck in Bohrungen der zu sichernden Felswände eingesetzt, mit einem Ankermörtel oder Ankerharz verklebt und mit der kopfseitig aufgeschobenen Druckplatte und einer auf das Gewinde aufgeschraubten Druckmutter verspannt. Bei den bekannten Zugankern besteht der Ankerstab vorwie gend aus Stahl oder aus Glasfasern, welche in einem speziellen Verfahren mit Polyestherharz oder Epoxidharz verklebt werden. Das sägezahnartige Gewinde wird in den Ankerstab eingeschnitten. Dabei wird als nachteilig empfunden, daß die Glasfasern an den Schnittstellen durchgetrennt werden, wodurch eine unerwünschte Materi alschwächung auftritt.Tie rods of this type are used primarily for permanent Securing unstable mountain areas, for the sy anchorage to increase construction resistance and for security measures in underground and special depths used in construction. The anchor rods are used for this purpose used in holes in the rock walls to be secured, glued with an anchor mortar or resin and with the pressure plate pushed on the head and one on the thread is screwed on the pressure nut. At the known tie rods are as before steel or glass fiber, which in one special processes with polyester resin or epoxy resin be glued. The sawtooth-like thread is in the Cut anchor rod. Doing so is considered a disadvantage felt that the glass fibers at the interfaces be severed, creating an undesirable matter weakening occurs.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, einen Zuganker der eingangs angegebenen Art so wie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu entwickeln, womit die Herstellung des Ankerstabs vereinfacht wird und dennoch eine höhere Zugkraft erzielbar ist.Based on this, the object of the invention reasons, a tie rod of the type specified above how to develop a process for its manufacture which simplifies the manufacture of the anchor rod and still a higher traction can be achieved.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1, 13 und 14 angegebenen Merkmalskombinationen vorge schlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.To solve this problem are in the claims 1, 13 and 14 specified combinations of features beat. Advantageous refinements and training The invention is derived from the dependent Claims.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt vor allem der Gedan ke zugrunde, daß bei durchgehenden Verstärkungsfasern auch im Bereich des Gewindes eine erhöhte Zugkraft er zielt werden kann. Um dies zu erreichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Polymer-Composite eine Vielzahl sich über die gesamte Länge des Ankerstabs er streckende, in eine Bindemittelmatrix aus thermoplasti schem Kunststoff eingebettete und im Gewindebereich un unterbrochene Verstärkungsfasern aufweist. Durch die Verwendung des thermoplastischen Kunststoffs ist es möglich, das Gewinde vorzugsweise unter Einwirkung von Druck und Wärme spanlos in den Ankerstab einzuformen. Um eine zuverlässige Handhabung zu gewährleisten, soll te der Glasumwandlungspunkt des verwendeten thermopla stischen Kunststoffs zweckmäßig oberhalb 100°C liegen, während der Fließübergangsbereich oberhalb 160°C be ginnen sollte.The solution of the invention is above all the thought ke based that with continuous reinforcing fibers he also has an increased tensile force in the area of the thread can be aimed. To achieve this, according to the Invention proposed that the polymer composite a Variety over the entire length of the anchor rod stretching into a binder matrix made of thermoplastic embedded plastic and in the thread area un has broken reinforcing fibers. Through the It is using the thermoplastic possible, preferably under the influence of Form pressure and heat into the anchor rod without cutting. In order to ensure reliable handling, te the glass transition point of the thermopla used plastic are expediently above 100 ° C, during the flow transition area above 160 ° C should start.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Verstärkungsfasern Kohlenstoffasern enthalten oder als solche ausgebildet sind. Vorteilhafterweise werden hierfür Hybridfasern vorwiegend bestehend aus Kohlenstoff-, Glas- und/oder Aramidfasern verwendet, die in ihrer Gesamtheit eine hohe, dem Stahl entspre chende Scherfestigkeit aufweisen. Um eine weitere Ver besserung in dieser Hinsicht zu erhalten, bilden die Verstärkungsfasern einen mit dem Bindemittel getränkten Flechtschlauch, in dem zweckmäßig rein axial ausgerich tete Kohlenstoffasern oder Kohlenstoffaserstränge ange ordnet sind, in die eine Vielzahl Glasfasern oder Glas faserstränge überwiegend in Umfangsrichtung eingefloch ten sein können.A preferred embodiment of the invention provides that the reinforcing fibers contain carbon fibers or are designed as such. Advantageously hybrid fibers are mainly composed of Carbon, glass and / or aramid fibers used, which in its entirety corresponds to the steel appropriate shear strength. To add another ver to get improvement in this regard form the Reinforcing fibers an impregnated with the binder Braided hose in which it is expediently aligned axially tied carbon fibers or carbon fiber strands are arranged in which a multitude of glass fibers or glass fiber strands mainly woven in the circumferential direction can be.

Als Bindemittelmatrix ist zweckmäßig ein thermoplasti scher Kunststoff aus der Gruppe Polyolefine, Vinylpoly mere, Polyamide, Polyester, Polyacetale, Polycarbonate, thermoplastische Polyurethane und Ionomere vorgesehen. Um eine zementfreie Verankerung in der Fels- oder Bau werksbohrung zu ermöglichen, kann es von Vorteil sein, wenn das thermoplastische Bindemittel unter der Einwir kung von Wärme plastifizierbar und zugleich quellfähig ist. A thermoplastic is expediently used as the binder matrix shear plastic from the group polyolefins, vinylpoly mers, polyamides, polyesters, polyacetals, polycarbonates, thermoplastic polyurethanes and ionomers provided. To cement-free anchoring in rock or construction to allow for factory drilling, it can be an advantage if the thermoplastic binder under the action Heat can be plasticized and swellable at the same time is.

In Verbindung mit den Kohlenstoffasern wird im Zuge der Plastifizierung der Bindemittelmatrix beim Einbringen des Gewindes eine spannungsfreie Einbettung der Ver stärkungsfasern gewährleistet.In connection with the carbon fibers, the Plasticization of the binder matrix during insertion of the thread a stress-free embedding of the ver strengthening fibers guaranteed.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Zugankers wird zweckmäßig eine Vielzahl von endlosen Verstär kungsfasern im Koextrusionsverfahren oder Pultrusions verfahren in die Bindemittelmatrix aus thermoplasti schem Material eingebettet. Nach dem Ablängen des An kerstabs kann das Gewinde unter Einwirkung von Druck und vorzugsweise von Wärme spanlos und ohne Auftrennen der Verstärkungsfasern in den Ankerstab eingeformt wer den.In the manufacture of the tie rod according to the invention is useful a variety of endless reinforcements Kung fibers in the coextrusion process or pultrusion process into the binder matrix made of thermoplastic embedded material. After cutting to length kerstabs can apply pressure to the thread and preferably without heat and without cutting of the reinforcement fibers molded into the anchor rod the.

Alternativ hierzu kann zur Herstellung des erfindungs gemäßen Zugankers ein zunächst trockener, aus Verstär kungsfasern gebildeter Flechtschlauch mit flüssigem thermoplastischen Bindemittel getränkt und unter Bil dung des Ankerstabs ausgehärtet werden. Das Gewinde und gegebenenfalls eine Mehrzahl Querrillen werden zweckmä ßig vor dem Aushärten des Bindemittels in den Ankerstab und in dessen Flechtschlauch eingeformt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, das Gewinde und gegebenen falls eine Mehrzahl Querrillen nach dem Aushärten des Bindemittels unter Einwirkung von Druck und Wärme in den Ankerstab einzuformen. Alternatively, can be used to manufacture the Invention according tie rod an initially dry, made of reinforcement Braided hose with liquid fibers thermoplastic binder soaked and under Bil end of the anchor rod are cured. The thread and if necessary, a plurality of transverse grooves are appropriate in the anchor rod before the binder hardens and molded into the braided tube. Basically however, it is also possible to change the thread and given if a plurality of transverse grooves after the Binder under the influence of pressure and heat to form the anchor rod.

Zur Verankerung des erfindungsgemäßen Zugankers in ei ner Fels- oder Bauwerksbohrung kann gemäß der Erfindung der in die Bohrung eingesetzte Ankerstab über seinen zentralen Hohlraum lokal über den Fließumwandlungspunkt seines Bindemittels hinaus aufgeheizt und stoffschlüs sig und/oder formschlüssig mit der Bohrungswand verbun den werden. Bei Verwendung eines quellfähigen Bindemit tels kann der Ankerstab hierbei zusätzlich unter Auf quellen des Bindemittels lokal aufgeheizt werden. Zum lokalen Aufheizen des Ankerstabs wird vorzugsweise eine Heizlanze in die Bohrung des Ankerstabs eingeführt und elektrisch aufgeheizt.To anchor the tie rod according to the invention in egg ner rock or structure drilling can according to the invention the anchor rod inserted into the hole above its central cavity locally above the flow transformation point of its binder heated up and cohesive sig and / or positively connected to the bore wall that will. When using a swellable binder The anchor rod can also be opened here sources of the binder are heated locally. To the local heating of the anchor rod is preferably a Heating lance inserted into the hole in the anchor rod and electrically heated.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention is based on one in the Drawing shown in a schematic manner example explained in more detail. Show it

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Zugankers, bestehend aus Ankerstab, Druckplatte und Druckmutter in Explosionsdarstellung; Figure 1 is a side view of a tie rod, consisting of anchor rod, pressure plate and pressure nut in an exploded view.

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Anker stab in längs geschnittener Darstellung. Fig. 2 shows an enlarged section of the anchor rod in a longitudinal section.

Der in der Zeichnung dargestellte Zuganker ist als Kle beanker ausgebildet. Er eignet sich insbesondere als Felsanker für die permanente und temporäre Sicherung von instabilen Gebirgszonen sowie zur Erhöhung der Standfestigkeit des Gebirges beim Tunnel- und Stollen bau. Er umfaßt einen Ankerstab 10, in welchen ein kopf seitiges Gewinde 12 eingeformt i st, eine Druckplatte 14 und eine auf das Gewinde 12 des Ankerstabs aufschraub bare Druckmutter 16. Der Ankerstab weist einen zentra len Hohlraum 22 auf und ist an seiner Spitze durch eine abnehmbare Kappe 24 geschützt. Er besteht aus einem Po lymer-Composite mit vorwiegend aus Kohlenstoffasern (Hybride) bestehenden Verstärkungsfasern 18, die in ei ne Bindemittelmatrix 20 aus thermoplastischem Kunst stoff eingebettet sind. Die endlosen Verstärkungsfasern 18 werden zweckmäßig im Koextrusionsverfahren oder im Pultrusionsverfahren in die Bindemittelmatrix 20 einge bettet und nach dem Aushärten in die gewünschte Anker stablänge abgelängt. Die thermoplastische Bindemittel matrix 20 sorgt dafür, daß der Ankerstab bei Gebrauchs temperatur ausreichend steif ist und durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb des Glasumwandlungspunkts plastisch verformbar ist. Das Gewinde 12 kann demgemäß unter Einwirkung von Druck und gegebenenfalls von Wärme ohne Auftrennen der Verstärkungsfasern 18 in den vorge fertigten Ankerstab 10 eingebracht werden. Dadurch tritt im Bereich des Gewindes keine unzulässige Materi alschwächung auf. Weiter können über die ganze Länge im Abstand voneinander angeordnete Querrillen 26 in den Ankerstab 10 eingepreßt werden, die eine bessere Veran kerung im injizierten Material gewährleisten.The tie rod shown in the drawing is designed as an anchor. It is particularly suitable as a rock anchor for the permanent and temporary securing of unstable mountain zones and for increasing the stability of the mountains during tunnel and tunnel construction. It comprises an anchor rod 10 in which a head-side thread 12 is formed, a pressure plate 14 and a screw nut 16 which can be screwed onto the thread 12 of the anchor rod. The anchor rod has a central cavity 22 and is protected at its tip by a removable cap 24 . It consists of a polymer composite with reinforcing fibers 18 consisting predominantly of carbon fibers (hybrids) which are embedded in a binder matrix 20 made of thermoplastic material. The endless reinforcing fibers 18 are expediently embedded in the binder matrix 20 in the coextrusion process or in the pultrusion process and, after curing, cut to the desired anchor rod length. The thermoplastic binder matrix 20 ensures that the anchor rod is sufficiently stiff at use temperature and is plastically deformable by heating to a temperature above the glass transition point. The thread 12 can accordingly be introduced under the action of pressure and possibly heat without breaking the reinforcing fibers 18 into the pre-made anchor rod 10 . As a result, no inadmissible weakening of material occurs in the area of the thread. Next can be pressed over the entire length spaced transverse grooves 26 in the anchor rod 10 , which ensure a better anchorage in the injected material.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfin dung bezieht sich auf einen Zuganker für Bauzwecke, insbesondere einen als Klebeanker ausgebildeten Felsan ker. Der Zuganker weist einen aus einem Polymer-Composite bestehenden, an seinem kopfseitigen Ende ein sägezahnartiges Gewinde 12 aufweisenden Ankerstab 10 zur Aufnahme einer gegen eine Druckplatte 14 abstützba ren Druckmutter 16, die auf das Gewinde 12 des Anker stabs aufgeschraubt wird. Um eine besonders effiziente Herstellbarkeit ohne Einbuße an Zugfestigkeit zu ge währleisten, weist das Polymer-Composite des Ankerstabs 10 eine Vielzahl von sich über die gesamte Länge des Ankerstabs erstreckenden, in eine Bindemittelmatrix 20 aus thermoplastischem Kunststoff eingebetteten und im Gewindebereich ununterbrochenen Verstärkungsfasern 18 auf. Das Gewinde 12 kann unter Einwirkung von Druck und gegebenenfalls von Wärme spanlos in den Ankerstab 10 eingeformt werden.In summary, the following can be stated: The invention relates to a tie rod for construction purposes, in particular a rock anchor designed as an adhesive anchor. The tie rod has an existing of a polymer composite, at its head end a sawtooth-like thread 12 having anchor rod 10 for receiving a ab pressable against a pressure plate 14 ren pressure nut 16 which is screwed onto the thread 12 of the anchor rod. In order to ensure a particularly efficient producibility without loss of tensile strength, the polymer composite of the anchor rod 10 has a multiplicity of reinforcing fibers 18 that extend over the entire length of the anchor rod and are embedded in a binder matrix 20 made of thermoplastic plastic and uninterrupted in the thread area. The thread 12 can be formed into the anchor rod 10 without cutting under the action of pressure and possibly heat.

Claims

1. tie rods for building purposes, in particular rock anchors, with a thread ( 12 ) having a polymer composite and having a thread ( 12 ) at its head end to receive a pressure nut that can be screwed onto the thread of the anchor rod, preferably supported against a pressure plate ( 14 ), since characterized in that the polymer composite ei ne variety of extending over the entire length of the anchor rod ( 10 ), embedded in a binder matrix ( 20 ) made of thermoplastic and embedded in the thread area continuous reinforcing fibers ( 18 ).

2. Tie rod according to claim 1, characterized in that the thread ( 12 ) is preferably formed without cutting under the action of pressure and heat in the anchor rod ( 10 ),

3. Tie rod according to claim 1 or 2, characterized records that the glass transition point of the thermo plastic at least 100 ° C and the Flow transition point is at least 160 ° C.

4. Tie rod according to one of claims 1 to 3, characterized in that the reinforcing fibers ( 18 ) contain carbon fibers or are formed out as such.

5. tie rod according to claim 4, characterized in that the reinforcing fibers hybrid consisting of Carbon fibers, glass fibers and / or aramid fibers contain.

6. Tie rod according to one of claims 1 to 5, characterized in that the reinforcing fibers ( 18 ) form egg nen with the thermoplastic plastic of the binding medium matrix ( 20 ) soaked braided hose.

7. tie rod according to claim 6, characterized in that purely axially aligned in the braided hose Carbon fibers or strands of carbon fiber are arranged.

8. tie rod according to claim 6 or 7, characterized records that in the braided hose a variety Glass fibers or glass fiber strands predominantly in um direction are interwoven.

9. Tie rod according to one of claims 1 to 8, characterized in that the anchor rod ( 10 ) has transverse grooves ( 26 ) arranged at an axial distance from one another.

10. Tie rod according to one of claims 1 to 9, characterized in that a thermoplastic from the group poly olefins, vinyl polymers, polyamides, polyesters, polyacetals, polycarbonates, polyurethanes and ionomers is provided as the binder matrix ( 20 ).

11. Tie rod according to one of claims 1 to 10, characterized in that the thermoplastic binder Telmatrix ( 20 ) is swellable under the action of heat.

12. Tie rod according to one of claims 1 to 11, characterized in that the anchor rod ( 10 ) is designed as a hollow rod, preferably with a central, pass through the cavity ( 22 ).

13. A method for producing a tie rod with an anchor rod consisting of a polymer composite ( 10 ), in the head end of which a thread ( 12 ) is molded, characterized in that a plurality of endless reinforcing fibers ( 18 ) in the coextrusion process or in the pultrusion process in a binder matrix ( 20 ) made of thermoplastic plastic is embedded, that the anchor rod is then cut to length and the thread is molded into the anchor rod ( 10 ) under the action of pressure and preferably heat-free.

14. A method for producing a tie rod with an existing of a polymer composite anchor rod ( 10 ), in the top end of a thread ( 12 ) is formed, characterized in that an initially dry, made of reinforcing fibers ( 18 ) GE braided hose with liquid soaked in thermoplastic and the binder matrix ( 20 ) formed is cured to form the anchor rod ( 10 ).

15. The method according to claim 14, characterized in that the thread ( 12 ) and optionally a plurality of transverse grooves ( 26 ) before the hardening of the bin demittels in the anchor rod ( 10 ) and in the braided tube are molded.

16. The method according to claim 14, characterized in that the thread ( 12 ) and optionally a number of transverse grooves after the curing of the binder matrix under the action of pressure and heat in the anchor rod ( 10 ) are formed.

17. The method according to any one of claims 13 to 16, characterized in that carbon fibers or hybrids consisting of carbon fibers, glass fibers and / or aramid fibers are used as reinforcing fibers ( 18 ).

18. The method according to claim 13 or 17, characterized records that a thermoplastic as a binder Plastic from the group of polyolefins, vinyl polymers right, polyamides, polyesters, polyacetals, polycarbona te, polyurethanes and ionomers is used.

19. The method according to any one of claims 13 to 18, characterized in that in the anchor rod ( 10 ) transversely to its longitudinal extension transverse grooves ( 26 ) are pressed.

20. Use of the tie rod according to one of claims 1 to 12 for anchoring in a rock or building bore, the anchor rod ( 10 ) inserted into the bore via a central cavity ( 22 ) locally above the flow transformation point of the thermoplastic plastic of its binder matrix ( 20 ) heated and cohesively and / or positively connected to the bore wall.

21. Use according to claim 20, characterized in that the anchor rod ( 10 ) is locally heated with swelling of its binder matrix.

22. Use according to claim 20 or 21, characterized in that for the local heating of the anchor rod ( 10 ) a heating lance in the cavity ( 22 ) of the anchor rod ( 10 ) is inserted and is preferably electrically heated there.

23. Use of the tie rod according to one of claims 1 to 12 for anchoring in a rock or building bore, characterized in that the anchor rod used in the rock or structural bore ( 10 ) via a central cavity passing longitudinally through the anchor rod ( 22 ) is acted upon with liquid cement or plastic so that it emerges from the tip of the anchor rod and at least partially fills the space between the anchor rod and the bore and cures there.