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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Montagelehre für eine Verbindung
von zwei zumindest partiell flächig
aneinanderliegenden Holzelementen und auf ein Einlegeelement zur
Erzeugung von Schraubenkanälen
in einem flächigen
Betonelement. Weiter bezieht sich die vorliegende Erfindung auf
ein Holz/Beton-Verbundelement mit mindestens einem derartigen Einlegeelement
sowie auf ein Holz/Beton-Verbundtragwerk
mit mindestens zwei Holz/Beton-Verbundelementen.
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In
der Konstruktion von neuen Häusern, Werkhallen
und in der Altbausanierung besteht ein hoher Bedarf an statisch
einwandfreien Verbindungen von Holzbalken/Holzrahmen mit Betonelementen
und von einfachen Holz/Holz-Verbindungen. Derartige Betonelemente
werden mit den Holzbalken/Holzrahmen zu sogenannten Holz/Beton-Verbundtragwerken
zusammengefügt
und werden als Wände
oder Tragdecken eingesetzt. Diese Holz/Beton-Verbundtragwerke haben
gegenüber
dem reinen Holzbau den Vorteil, dass sie trotz des Betonanteils dennoch
vergleichsweise leicht sind und trotz des Holzanteils dennoch noch
eine genügend
hohe Wärmespeichermasse
aufweisen. Weiter verbessern derartige Tragwerke die akustischen
Eigenschaften eines Gebäudes
entscheidend und haben ebenfalls eine gute Feuerwiderstandsdauer.
Mit dem verbesserten Schallschutzverhalten verringern sie zudem spürbare Schwingungen
von Böden
und steifen somit das Gebäude
statisch hervorragend aus. Abgesehen von diesen technischen Vorteilen
befriedigen die sichtbaren Holzbalken auch die ästhetischen Wünsche der
Bauherrschaft.
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Zur
Verbindung von einzelnen Holz/Beton-Verbundelementen zu diesen Holz/Beton-Verbundtragwerken
sind verschiedene mehr oder weniger aufwendige Lösungen bekannt. Eine Lösung sieht beispielsweise
die Ausbildung von Ortbeton-Taschen vor, die allerdings auf einer
ansonsten im Holzbau eher betonfreien Trockenbaustelle vor Ort ausbetoniert
werden müssen.
Die Verwendung von Beton ist auf einer derartigen Trockenbaustelle
in der Regel allerdings unerwünscht
und immer mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden. Zusätzlich werden
hier gekreuzt angeordnete Doppelgewindeschrauben verwendet. Diese
von unten angesetzten Schrauben sind jedoch sichtbar, was den ästhetischen
Eindruck dieser Verbundtragwerke schmälern kann. Grundsätzlich ist
es auch möglich,
Stahlteile in die Betonplatten einzulegen, welche nach der Montage
der Verbundelemente verschweisst werden müssen. Allerdings ist im Holzbau
die Brandgefahr beim Schweissen relativ hoch.
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Allen
derzeit bekannten Lösungen
hängt daher
der Makel an, dass sie zwar statisch einwandfreie Verbundtragwerke
liefern, der Material- und Arbeitsaufwand zur Erstellung dieser
Verbundtragwerke aber hoch und damit das gesamte Verbundtragwerk relativ
kostspielig ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher
die Aufgabe zugrunde, das Problem der Verbindung von Holz/Holz-Verbundelementen,
Holz/Beton-Verbundelementen
zur Erstellung von Holz/Beton-Verbundtragwerken
mit einfacheren Mitteln und kostengünstiger zu lösen.
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Diese
Aufgabe wird bezüglich
des Einlegeelements erfindungsgemäss durch ein Einlegeelement zur
Erzeugung von Schraubenkanälen
in einem flächigen
Betonelement, dessen Ausdehnung in x- und y-Richtung gross gegen
die Ausdehnung in z-Richtung ist, gelöst. Dieses Einlegeelement umfasst:
- a) eine flächige
Grundplatte, die geeignet ist mit einem in xy-Richtung verlaufenden
Randbereich des Betonelements bündig
abzuschliessen;
- b) mindestens ein von der Grundplatte ausgehendes Leerrohr,
dessen Hohlraum den Schraubenkanal darstellt, wobei das Leerrohr
so einen räumlichen
Verlauf aufweist, dass eine an dem der Grundplatte gegenüberliegenden
Ende des Leerrohrs eintretende Schraube einen Schraubweg nimmt,
der über
die seitlichen Randbereiche des Betonelements hinausgeht.
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Auf
diese Weise gelingt es, mit dem Einlegeelement im Betonelement einen
Schraubenkanal freizuhalten, wodurch die Schrauben, die zur Verbindung
der Holzbalken benachbart angeordneter Holz/Beton-Verbundelemente
vorgesehen sind, einerseits beim Einschrauben geführt sind
und andererseits auch ein späterer
Schraubweg in den Holzbalken vorgezeichnet ist. Dieser Schraubweg
ist im wesentlichen durch die geforderten statischen Eigenschaften
an diese Verbindung gegeben und kann individuell für jede Art
von Verbundtragwerken durch eine entsprechende Anordnung der Leerrohre
(vorher) angepasst sein. Mit dem über die seitlichen Randbereiche
des Betonelements hinausgehenden Schraubweg kann damit die sichere
und bestimmungsgemässe
Verbindung der Holzbalken erreicht werden. Zudem erlaubt es diese
Ausgestaltung des Einlegeelements, dass die Schrauben von oben in die
Leerrohre eingeschraubt werden können,
was die Montage der Schrauben durch die Leerrohre hindurch erheblich
gegenüber
den im Stand der Technik bekannten Überkopfarbeiten vereinfacht.
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Die
statischen Eigenschaften einer Verbindung der Holzbalken, die durch
das Einschrauben der Schrauben durch die Leerrohre erreicht werden können, können besonders
gut erreicht werden, wenn der räumliche
Verlauf der Leerrohre in einem karthesischen Koordinationsystem
mit den Richtungen x, y und z einem Verlauf einer Raumdiagonalen (oder
bei mehreren Leerrohren auch mehreren Raumdiagonalen) entspricht.
Dies soll im Grunde so verstanden werden, dass bei einer Verbindung
mit beispielsweise vier Schrauben die vier Schraubenspitzen und
die vier Schraubenköpfe
einen achteckigen, im wesentlichen quaderförmigen Verbund darstellen.
Dementsprechend ist es auch hinsichtlich der Berechenbarkeit der
Verbindung und der gleichmässigen
Verteilung von Zug- und Druckmomenten auf die Schrauben zweckmässig, wenn
der räumliche Verlauf
durch einen Winkel von 30 bis 60°,
vorzugsweise im Bereich von 45°,
zu jeder der drei Richtungen x, y und z geprägt ist.
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Für die Verbindung
der Holzbalken ist es besonders wichtig, dass die Schrauben auch
mit einem beherrschbaren Kraftaufwand eingeschraubt werden können und
eine X-förmige
Anordnung zueinander haben. Hierzu ist es vorteilhaft, zwei Leerrohre
vorzusehen, die im wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet
sind, wobei die durch ihre Schraubenkanäle vorgezeichneten Schraubwege
kreuzungsfrei sind. Durch diese bewusst ein wenig asymetrische Anordnung
der Leerrohre wird eben sicher vermieden, dass sich die Schrauben
auf ihrem Schraubweg im Holzbalken treffen. Für die Verbindung von zwei Holzbalken
heisst dies in zweckmässiger
Weiterbildung dieses Gedankens, dass eine asymetrische Ausrichtung
der Leerrohre in einer Weise vorgesehen ist, dass die durch zwei
mit ihren Grundplatten aneinanderstossende Einlegeelemente vorgegebenen
Schraubwege im wesentlichen die vier Raumdiagonalen eines Quaders,
vorzugsweise eines Würfels,
beschreiben, wobei die Schraubwege kreuzungsfrei sind. Wie weiter
oben schon ausgeführt, entsteht
bei dieser Verbindung mit vier Schrauben ein durch die vier Schraubenspitzen
und die vier Schraubenköpfe
gebildeter achteckiger, im wesentlichen quaderförmigen Verbund (Anm. Kristallographisch würde man
hier für
ein kubisches Gitter von den <111>-Richtungen sprechen).
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Damit
das oder die Leerrohre der Einlegeelemente beim Ausbetonieren des
Betonelements nicht (unbeabsichtigt) verschlossen werden können, kann das
der Grundplatte gegenüberliegenden
Ende des Leerrohrs mit einem abnehmbaren Deckel verschliessbar ausgestaltet
sein.
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Um
das Einlegeelement universell auch für eine Vielzahl von unterschiedlichen
Stärken
des Betonelements (Ausdehnung in z-Richtung) einsetzbar zu machen, kann
in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein,
das Leerrohr teleskopartig in seiner Länge verstellbar auszugestalten.
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Das
Einschrauben der Schrauben durch die Leerrohre hindurch in die Holzbalken
erfordert einen vergleichsweise hohen Andruck des Schraubwerkzeuges
am Schraubenkopf, der ja nicht wesentlich über den Gewindequerschnitt
der Schraube hinausragen darf. Um diesen Andruck und die Ausrichtung des
Schraubwerkzeuges zu erleichtern, ist es in einer weiteren Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung vorgesehen, das der Grundplatte gegenüberliegenden
Ende des Leerrohrs mit einem Flansch auszustatten, an den ein zum
Eintreiben von Schrauben durch die Schraubenkanäle erforderliches Werkzeug ankoppelbar
ist.
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Bezüglich der
Montagelehre wird diese Aufgabe erfindungsgemäss gelöst, indem eine Montagelehre
für die
Verbindung von zwei zumindest partiell flächig aneinanderliegenden Holzelementen,
wie z.B. Holzbalken, mittels mindestens einer in die Holzelemente
einschraubbaren Schraube vorgesehen ist, wobei die Montagelehre
umfasst:
- a) eine flächige Grundplatte (12l, 12r),
die geeignet ist mit mindestens einem der beiden Holzelemente temporär verbunden
zu werden;
- b) mindestens einem von der Grundplatte (12l, 12r)
ausgehenden Leerrohr (14l, 16l, 18r, 20r), wobei
das Leerrohr (14l, 16l, 18r, 20r)
so einen räumlichen
Verlauf aufweist, dass eine an dem der Grundplatte (12l, 12r)
gegenüberliegenden Ende
(24) des Leerrohrs (14l, 16l, 18r, 20r)
eintretende Schraube (22, 22vl, 22hl, 22vr und 22hr) einen
Schraubweg (T1 bis T4) nimmt, der aus einem der beiden Holzelemente
in das jeweils andere Holzelemente eindringt.
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Bezüglich des
Holz/Beton-Verbundelements wird die weiter oben stehende Aufgabe
erfindungsgemäss
durch ein Holz/Beton-Verbundelement
mit mindestens einem Einlegeelement nach der vorstehenden Art gelöst. Entsprechend
den Abmessungen des Holz/Beton-Verbundelements und/oder den geforderten
statischen Eigenschaften der Verbindung benachbarter Holz/Beton-Verbundelemente
wird eine geeignete Anzahl derartiger integrierter Einlegeelemente
vorgesehen.
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Bezüglich des
Holz/Beton-Verbundtragwerks wird die weiter oben stehende Aufgabe
erfindungsgemäss
durch ein Holz/Beton-Verbundtragwerk,
insbesondere Wand- und/oder Deckenteil, gelöst, das mindestens zwei der
vorstehenden Holz/Beton-Verbundelemente
aufweist, wobei benachbarte Holzträger der mindestens zwei Holz/Beton-Verbundelemente
flächig
mittels durch die Schraubenkanäle
eingetriebene Schrauben verbunden sind.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den übrigen Unteransprüche entnommen
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 zwei
nebeneinander angeordnete Holz/Beton-Verbundelemente;
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2 einen
Ausschnitt aus einer perspektivischen Darstellung von zwei Holz/Beton-Verbundelementen
vor der Verbindung;
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3 den
Ausschnitt gemäss 2 nach
einer Verbindung der beiden Holz/Beton-Verbundelemente;
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4 eine
Skizzierung der Schraubwege für eine
kubische Elemementarzelle mit einer Kantenlänge von 10 cm; und
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5 einen
schematischen Ausschnitt auf einer perspektivischen Darstellung
von zwei mit Hilfe einer Montagelehre verbundene Holzbalken.
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Die 1 zeigt
eine perspektive Ansicht von zwei Holz/Beton-Verbundelementen 2, 4,
die zur Bildung eines Holz/Beton-Verbundtragwerk verbunden werden
müssen.
Jedes Holz/Beton-Verbundelement 2, 4, weist eine
Betonplatte 6 auf, die in der zeichnerischen Darstellung
in der xy-Ebene verläuft
und sowohl in x-Richtung wie auch in y-Richtung signifikant länger ist
als sie in z-Richtung stark. Die Betonplatte 6 liegt in
der zeichnerischen Darstellung auf Holzbalken 8 auf, wobei
die zueinander benachbart angeordneten Holzbalken 8l und 8r zur
Erstellung eines Holz/Beton-Verbundwerkes zu verbinden sind.
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Die 2 zeigt
nun in einer vergrösserten Ausschnittdarstellung
die beiden Holz/Beton-Verbundelemente 2, 4. Auf
jedem der Holzbalken 8l und 8r befindet sich ein
Einlegeelement 10l und 10r. Die Einlegeelemente 10l, 10r verfügen über eine
flächige Grundplatte 12l, 12r,
die jeweils mit den in xy-Richtung verlaufenden seitlichen Randbereich
der Betonelemente 6 bündig
abzuschliessen. Die Einlegeelemente 10l, 10r sind
vorliegend mit hier nicht weiter dargestellten Schrauben auf den
Holzbalken 8l bzw. 8r befestigt worden, bevor
die Betonplatte 6 betoniert wurden. Sie weisen ferner jeweils
zwei von den Grundplatten 12l, 12r ausgehende
Leerrohre 14l, 16l bzw. 18r, 20r auf,
deren Hohlräume
einen Schraubenkanal für
eine Schraube 22 darstellen. Diese Schraube 22 ist
in der 2 in vergrösserter
Darstellung (relativ zum übrigen
Inhalt von 2) am linken Bildrand dargestellt.
Die Leerrohre 14l, 16l bzw. 18r, 20r weisen
einen räumlichen
Verlauf in einer Weise auf, dass die an den der Grundplatten 12l, 12r gegenüberliegenden
Enden 24 der Leerrohre 14l, 16l bzw. 18r, 20r
eintretende Schrauben 22 einen Schraubweg nimmt, der über die
seitlichen Randbereiche der Betonelemente 6 hinausgeht,
was in 3 gezeigt ist und nachstehend noch näher erläutert wird.
Der räumliche
Verlauf dieser Leerrohre 14l, 16l bzw. 18r, 20r hat
in dem in 1 eingetragenen karthesischen
Koordinationsystem mit den Richtungen x, y und z den Verlauf einer
Raumdiagonalen, wenn man sich einen im wesentlichen quaderförmigen (in den
Ausführungsbeispielen
kubischen) Verbund vorstellt, dessen acht Eckpunkte durch die vier
Schraubenenden und die vier Schraubenköpfe gebildet ist.
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Grundsätzlich kann
der räumliche
Verlauf in Abhängigkeit
von dem gewählten
quaderförmigen Verbund
durch Winkel von 30 bis 60° geprägt sein. Besonders
aus statischen Gründen
und wegen der besseren Berechenbarkeit der Lastmomente in den drei
Richtungen des karthesischen Koordinatensystems wird für den räumlichen
Verlauf ein Winkel etwa 45° gewählt, wie
dies auch hier vorliegend bei den Ausführungsbeispielen der Fall ist.
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Damit
die Schrauben 22 jeweils ungehindert von den Schrauben
entlang der anderen Schraubwege eingeschraubt werden können, sind
die zwei Leerrohre 14l, 16l bzw. 18r, 20r vorgesehen,
die im wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet sind, aber
eine gewisse asymetrische Anordnung aufweisen, so dass ihre durch
die Schraubenkanäle
vorgezeichneten Schraubwege kreuzungsfrei sind. So ist beispielsweise
der Abstand des Leerrohres 18r vom unteren Rand der Grundplatte 12r wesentlich
kleiner als der Abstand des Leerrohres 20r von dem oberen Rand
der Grundplatte 12r. Sehr anschaulich ist dies auch an
dem auf der anderen Seite positionierten Einlegeelement 10l erkennbar,
dessen Position sich durch die Drehung des Einlegeelements 10r um
180° in
der xy-Ebene ergibt.
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3 zeigt
nun den Ausschnitt gemäss 2 nach
einer Verbindung der beiden Holz/Beton-Verbundelemente 2, 4 zu
einem Holz/Beton-Verbundtragwerk 26. Schön erkennbar
ist die asymetrische Ausrichtung der Leerrohre 14l, 16l bzw. 18r, 20r,
die durch zwei mit ihren Grundplatten 12r, 12l aneinanderstossende
Einlegeelemente 2, 4 vorgegebenen Schraubwege
im wesentlichen die vier Raumdiagonalen eines Quaders, vorzugsweise
eines Würfels,
beschreiben, wobei die Schraubwege kreuzungsfrei sind. Die Schraube 22vl ist
dabei durch das Leerrohr 14l beim Einschrauben geführt worden.
Entsprechend sind die Schrauben 22hl, 22vr und 22hr durch
die Leerrohre 16l bzw. 18r bzw, 20r eingeschraubt
worden. Obwohl in 3 die Köpfe der vier Schrauben 22vl, 22hl, 22vr und 22hr nicht
erkennbar sind, so ist doch leicht vorstellbar, dass die vier sichtbaren
Schraubenenden und die vier Schraubenköpfe die Eckpunkte eines im
wesentlichen kubischen Körpers
darstellen und die vier Schrauben 22vl, 22hl, 22vr und 22hr den
vier Raumdiagonalen dieses im wesentlichen kubischen Körpers folgen.
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4 zeigt
eine Skizzierung von Schraubwegen T1 bis T4 für eine kubische Elemementarzelle mit
einer Kantenlänge
von 10 cm. Die Schraubwege T1 bis T4 verlaufen jeweils in einem
Winkel von 45° zu
allen drei Richtungen x,y,z. Die Positionen der Anfangsorte S1 bis
S4 der Schraubwege T1 bis T4 und die Endorte S1' bis S4' beim Auftreffen der Schraubwege T1
bis T4 auf einer parallel zur xy-Richtung verlaufenden Ebene für z = 10
cm sind in der 4 angegeben. Durch die asymetrische
Anordnung der Anfangsorte S1 bis S4 verlaufen die Schraubwege T1 bis
T4 durch die Elementarzelle kreuzungsfrei (anders als die vier Raumdiagonalen
der Elementarzelle, die sich im Zentrum Z treffen). Auch wenn die zeichnerische
Darstellung gemäss 4 ein
wenig verzerrend wirken könnte,
so ist es noch nachvollziehbar, dass die vier Anfangsorte S1 bis
S4 und die vier Endorte S1' bis
S4' die Eckpunkte
eines im wesentlichen kubischen Verbundes darstellen, so wie dies
weiter vorstehend auch schon angesprochen wurde. Natürlich ist
es dabei klar, dass sich dieser kubische Verbund aufgrund der innenliegenden
Anordnung der vier Anfangspunkte S1 bis S4 mit vorschreitender Ausdehnung
der Schraubwege T1 bis T4 in z-Richtung nach aussen aufweitet. Für die Endpunkte
S1' bis 54' wurde daher eine
Schraubenlänge
l angenommen, die der Länge
der Raumdiagonalen der Elementarzelle entspricht.
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Damit
die vier Leerrohre 14l, 16l, 18r, 20r der Einlegeelemente 10l, 10r beim
Ausbetonieren des Betonplatten 6 nicht (unbeabsichtigt)
verschlossen werden können,
können
die Enden 24 der Leerrohre 14l, 16l, 18r, 20r mit
einem abnehmbaren, hier aber nicht weiter dargestellten Deckel verschlossen
sein. Um die Einlegeelemente 10l, 10r universell
auch für eine
Vielzahl von unterschiedlichen Stärken der Betonplatte 6 (Ausdehnung
in z-Richtung) einsetzen zu können,
sind die Leerrohre 14l, 16l, 18r, 20r in
hier nicht weiter dargestellte Weise teleskopartig in der Länge verstellbar.
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Da
das Einschrauben der Schrauben durch die Leerrohre hindurch in die
Holzbalken einen vergleichsweise hohen Andruck eines hier nicht
weiter dargestellten Schraubwerkzeuges am Schraubenkopf 28,
der in der gezeigten Darstellung gemäss 2 nicht
wesentlich über
den Gewindequerschnitt der Schraube 22 hinausragt, erfordert,
kann es zur Erleichterung dieses Andrucks und dieser Ausrichtung
des Schraubwerkzeuges vorgesehen sein, die Enden 24 der
Leerrohre 14l, 16l, 18r, 20r mit
einem hier nicht weiter dargestellten Flansch auszustatten, an den
das zum Eintreiben der Schrauben 22 durch die Schraubenkanäle (Hohlräume der
Leerrohre 14l, 16l, 18r, 20r erforderliche
Werkzeug ankoppelt. Entsprechend der Abmessungen der Holz/Beton-Verbundelemente 2, 4 und/oder
der geforderten statischen Eigenschaften der Verbindung benachbarter Holz/Beton-Verbundelemente 2, 4 wird
eine geeignete Anzahl derartiger integrierter Einlegeelemente 10l, 10r vorgesehen,
was in 1 durch in den Betonplatten 6 symbolisch
eingezeichneten Löcher
repräsentiert
ist.
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5 zeigt
nun in starker Anlehnung an die 3 eine Verbindung
von zwei Holzbalken 29l, 29r mit Hilfe einer Montagelehre 30.
Die Montagelehre 30 ist anders als im Ausführungsbeispiel
nach 3 nun einteilig ausgestaltet und verfügt daher über eine im
wesentlichen quadratische Grundplatte 32, aus der (analog
zu dem Ausführungsbeispiel
nach 3) nun mehr die vier Leerrohre 14l, 16l, 18r und 20r herausragen.
Die Leerrohre 14l, 16l, 18r und 20r geben hier
aufgrund ihrer räumlichen
Orientierung die Schraubwege für
die vier Schrauben 22vl, 22hl, 22vr und 22hr,
wobei die an das Bezugszeichen 22 angehängten Buchstaben repräsentieren,
durch welches der Leerrohre 14l, 16l, 18r und 20r die
jeweilige Schraube eingeschraubt wurde. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Durchmesser des Kopfes 28 der Schraube 22 nur
etwa so gross wie der Durchmesser der Schraube 22 selbst.
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In
hier nicht weiter dargestellter Weise können in der Grundplatte 32 auch Öffnungen
vorhanden sein, in die andere Schrauben zur temporären Fixierung
der Montagelehre 30 auf den beiden Holzbalken 29l, 29r angeordnet
werden können.
Eine alternative oder zusätzliche
Befestigungsmethode kann auch mittels Schraubzwingen erzielt werden.
Nach dem Einschrauben der vier Schrauben 22vl, 22hl, 22vr und 22hr durch
die vier Leerrohre 14l, 16l, 18r und 20r können diese
temporären
Fixierungsmittel wieder gelöst
und die Montagelehre 30 an anderer Stelle eingesetzt werden.
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Wie
schon die Einlegeelemente 12l, 12r kann auch die
Montagelehre 30 ganz aus Metall oder einem entsprechend
stabilen Kunststoff gefertigt sein. Im Fall der Montagelehre können die
Leerrohre 14l, 16l, 18r und 20r durch
zusätzliche
Mittel jedes für
sich in seiner Position gestützt
sein, beispielsweise durch Stützstege.
Es können
jedoch auch noch weitere Mittel vorgesehen sein, die die Leerrohre 14l, 16l, 18r und 20r auch
untereinander stützen
und somit zur Stabilität
der Montagelehre 30 beitragen können.