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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Knotenelement zur Bildung eines
Verbindungsknotens für mehrere stabförmige Elemente, insbesondere Rohrelemente,
einer Fachwerkkonstruktion o.ä., mit einem am Ende eines stabförmigen Elementes
befestigbaren hinteren Endbereich sowie einem über einen starren Mittelabschnitt
mit diesem verbundenen vorderen Endbereich zur Verbindung mit anderen, im wesentlichen
gleich geformten vorderen Endbereichen von Knotenelementen.
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Ein bekanntes Knotenelement dieser Art besteht aus einem Schaftteil,
das mit seinem hinteren Endbereich drehbar in dem Ende des zu verbindenden stabförmigen
Elementes befestigt ist und dessen vorderer Endbereich von einem Gewindezapfen gebildet
wird, der in einen Kugelknoten mit einer Anzahl von Gewindebohrungen eingeschraubt
werden kann. Dieser Kugelknoten dient zur Aufnahme der Knotenelemente mehrerer stabförmiger
Elemente, um auf diese Weise einen Verbindungsknoten zu bilden.
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Dieses vorbekannte Knotenelement und damit der Gesamtaufbau des Verbindungsknotens
hat den Nachteil, daß die stabförmigen Elemente in verhältnismäßig aufwendiger Weise
vorbearbeitet werden müssen, da sich die Knotenelemente nicht ohne weiteres an
der
Montagestelle an den Enden der stabförmigen Elemente befestigen lassen, sondern
eine Befestigung nur an stabförmigen Elementen besonderen Querschnitts möglich ist
und die Befestigung mittels Spezialvorrichtungen und speziellen Arbeitsschritten
durchgeführt werden muß. Darüber hinaus wird zusätzlich zu den an den Enden der
stabförmigen Elemente befestigten Knotenelementen ein Kugelknoten benötigt, der
eine Anzahl Gewindebohrungen aufweist und daher ebenfalls aufwendig in der Herstellung
ist.
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Ein wesentlicher Nachteil bei der Montage des vorbekannten Verbindungsknotens
besteht darin, daß sich Längenanpassungen der die Knotenelemente tragenden stabförmigen
Elemente nur in geringem Umfang durchführen lassen und daß Winkelabweichungen ebenfalls
nur in sehr geringem Umfang kompensierbar sind.
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Ein großer Nachteil aller bekannten Knotenelemente bzw. Aufbauten
von Verbindungsknoten besteht darin, daß bei der Berechnung von räumlichen Stabwerken,
etwa Fachwerkkonstruktionen davon ausgegangen wird, daß die Verbindungsknoten Gelenke
darstellen, während in der praktischen Ausbildung extreme Abweichungen von dieser
theoretischen Annahme auftreten. Insbesondere können sich durch den Aufbau des Verbindungsknotens
Zwängungen ergeben, d.h.
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überlastungsspitzen infolge von in Lastaufnahme- bzw. Lastübertragungsbereichen
erheblich verringerten Querschnitten.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfach aufgebautes Knotenelement
zu schaffen, das sich am Montageort mit dem stabförmigen Element verbinden läßt
und einen erheblichen Ausgleich von Längen- und Winkelabweichungen ermöglicht, wobei
der gebildete Verbindungsknoten Gelenkwirkung haben soll.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Knotenelement der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß derart ausgestaltet, daß der vordere Endbereich schalenförmig
ausgebildet ist und eine konvexe und eine konkave Teilkugelfläche aufweist, deren
Kugeldurchmesser gleich groß sind und deren Krümmungsmittelpunkte auf einer gemeinsamen
Achse liegen, die unter einem Winkel ungleich Null zur Längsachse des hinteren Endbereichs
verläuft.
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Das erfindungsgemäße Knotenelement kann durch entsprechende Ausbildung
seines hinteren Endbereiches mit stabförmigen Elementen des jeweils benötigten Querschnittes
verbunden werden, während die vorderen Endbereiche verschiedener Knotenelemente
über die Teilkugelflächen in Eingriff miteinander kommen und diese Teilkugelflächen
die auftretenden Kräfte aufnehmen und auf benachbarte Teilkugelflächen übertragen.
Dabei können sich gelenkartige Verschiebungsgewegungen der Teilkugelflächen benachbarter
Knotenelemente entlang ihrer Oberflächen ergeben, während
Verschiebungsbewegungen
senkrecht zur gemeinsamen Achse durch den Eingriff der Teilkugelflächen benachbarter
Knotenelemente sicher verhindert werden.
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Um einen möglichst einfachen und statisch übersichtlichen Aufbau zu
erhalten, können die Längsachse des hinteren Endbereiches des Knotenelementes und
die Längsachse des stabförmigen Elementes koaxial oder zumindest parallel zueinander
verkanten.
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Wenn die Kugelmittelpunkte auf einer gemeinsamen Achse liegen, kann
der Winkel zwischen Längsachse des h-interen Endbereiches und gemeinsamer Achse
eines Knotenelementes gleich dem Winkel zwischen dieser Achse und der Längsachse
des zu verbindenen stabförmigen Elementes sein, d.h. nach Verbindung von Knotenelement
und stabförmigem Element ergibt sich ein achssymetrischer Aufbau des vorderen Endbereiches
des Knotenelementes, der die Einbaumöglichkeit in einen Verbindungsknoten wesentlich
verbessert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Knotenelemente
enden die beiden Teilkugelflächen in einem umlaufenden Flansch, der in einer senkrecht
zur gemeinsamen Achse verlaufenden Ebene liegt. Um trotz dieses Flansches eine gewisse
Verschwenkbewegung der Endbereiche benachbarter Knotenelemente entlang
ihrer
einander berührenden Teilkugelflächen zu ermöglichen, kann dann der Raumwinkel der
konvexen Teilkugelfläche größer sein, als der Raumwinkel der konkaven Teilkugelfläche,
wodurch die Flansche einander benachbarter Knotenelemente sich im Abstand von einander
befinden und die vorstehende erwähnte Verschwenkbewegung nicht behindern.
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Üblicherweise werden an einem Verbindungsknoten auch stabförmige Elemente
angeschlossen, deren Längsachse sich im montierten Zustand axial zur gemeinsamen
Achse der zum Verbindungsknoten zusammengefaßten Knotenelemente erstreckt. Das-Knotenelement
eines derartigen stabförmigen Elementes bildet das Endelement innerhalb eines Verbindungsknotens
und ist daher erfindungsgemäß derart aufgebaut, daß der vordere Endbereich eine
konvexe oder eine konkave Teilkugelfläche aufweist, deren Kugel den gleichen Durchmesser
wie die Kugeln der Teilkugelflächen der zusammengefaßten Knotenelemente hat, und
die Längsachse seines hinteren Endbereichs verläuft zentrisch bezüglich der einen
Teilkugelfläche.
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Ein solches Knotenelement weist also lediglich eine einzige Teilkugelfläche
auf, deren Durchmesser jedoch mit dem Durchmesser der Teilkugelflächen der vorstehend
erwähnten Knotenelemente übereinstimmt, so daß eine Verbindung mit dem benachbarten
Knotenelement
in der gleichen Weise erfolgt, wie die Verbindung von zwei Knotenelementen mit jeweils
zwei Teilkugelflächen.
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Um die Knotenelemente eines Verbindungsknotens in ihrer Lage zusätzlich
zu sichern, kann eine sich durch ihre vorderen Endbereiche erstreckende Bohrung,
die sich koaxial zur zentrisch bezüglich der Teilkugelflächen verlaufenden gemeinsamen
Achse bzw. zur zentrisch bezüglich der einen Teilkugelfläche verlaufenden Längsachse.des
hinteren Endbereiches erstreckt, vorgesehen sein, durch die ein Verbindungsbolzen,
etwa eine Schraube geführt wird. Wenn in dem Knotenelement mit einer einzigen konvexen
Teilkugelfläche die Bohrung eine Gewindebohrung ist, so kann eine derartige Schraube
sich durch die vorderen Endbereiche aller Knotenelemente eines Verbindungsknotens
erstrecken und in diese Gewindebohrung eingeschraubt werden. Durch eine derartige
zusätzliche Verbindung der vorderen Endbereiche aller Knotenelemente wird eine Trennung
des Verbindungsknotens in Richtung der gemeinsamen Achse bzw. der Längsachse des
hinteren Endbereiches der Knotenelemente verhindert, und die Verschiebung der Teilkugelflächen
benachbarter Knotenelemente in Richtung der Kugeloberflächen begrenzt.
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Die erfindungsgemäßen Knotenelemente können auf das hintere Ende eines
stabförmigen Elementes aufschiebbar sein, und falls
die stabförmigen
Elemente aus Rohrelementen bestehen, sind die hinteren Endbereiche der Knotenelemente
vorzugsweise in das Rohrelement einsteckbar. Eine Begrenzung einer derartigen Einsteckbewegung
läßt sich dadurch erreichen, daß der hintere Endbereich eine entsprechende Ringschulter
aufweist.
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Diese Verbindung mit den stabförmigen Elementen ermöglicht einen Längenausgleich,
denn die Knotenelemente können beispielsweise zunächst in axialer Richtung der stabförmigen
Elemente bewegbar mit diesen verbunden und dann der, Verbindungsknoten montiert
werden. Erst danach wird dann die unverschiebbare Verbindung zwischen Knotenelement
und stabförmigen Element hergestellt. Diese endgültige Verbindung kann auf irgendeine
Weise erfolgen, beispielsweise durch Herstellung von Querbohrungen und Einsetzen
von Stiften, Schrauben, Splinten u.ä. oder aber auch durch Klebung.
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Gegebenenfalls kann bei einem im Querschnitt kreisförmigen Rohrelement
im Endbereich ein Gewinde ausgebildet werden, und das Rohrelement läßt sich dann
durch Schraubung mit dem ein entsprechendes Gewinde aufweisenden hinteren Endbereich
eines Knotenelementes verbinden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematisch ein Ausführungsbeispiel
zeigenden Figur näher erläutert.
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In der Figur ist ein aus erfindungsgemäßen Knotenelementen aufgebauter
Verbindungsknoten mit den an ihn anschließenden, aus Rohren bestehenden stabförmigen
Elementen dargestellt.
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Dieser Verbindungsknoten verbindet somit die Rohre 10, 10', 30, 40
und 60, wobei die an die Rohre 10 und 10' angeschlossenen Knotenelemente 1 und 1'
gleich aufgebaut sind und daher mit gleichen Bezugszeichen versehen wurden. Zur
Unterscheidung sind lediglich die Bezugszeichen für das Knotenelement 1' zusätzlich
mit einem ' bezeichnet.
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Das Knotenelement 1 hat einen hinteren , zylindrischen Endbereich
2, der bis zu seiner Ringschulter 3 in das Rohr 10 eingesteckt ist und an den ein
starrer Mittelabschnitt 4 anschließt. Von diesem Mittelabschnitt geht der vordere
Endbereich 5 aus, der schalenförmig ausgebildet ist und zwei Teilkugelflächen 6,
7 aufweist, von denen die Teilkugelfläche 6 konvex und die Teilkugelfläche 7 konkav
ist. Wie durch die die Kugelradien bezeichnenden Pfeile angedeutet, haben diese
beiden Teilkugelflächen gleiche Radien und ihre Mittelpunkte liegen auf einer gemeinsamen
Achse, die koaxial zur Achse 20 der Rohre 40 und 60 verläuft. Die Teilkugelflächen
enden in einem umlaufenden Flansch 9, der in einer Ebene senkrecht zur gemeinsamen
Achse der Teilkugelfläche liegt und der im oberen Bereich in den geschnitten dargestellten
Steg des Mittelabschnittes 4 übergeht. Die Teilkugelflächen
liegen
zentrisch zur gemeinsamen Achse, und der Raumwinkel der Teilkugelfläche 6 ist größer
als der Raumwinkel der Teilkugelfläche 7. Die Bedeutung dieser Maßnahme wird später
erklärt werden.
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Ferner erstreckt sich koaxial zur gemeinsamen Achse, also in der Figur
koaxial zur Achse 20 durch den vorderen Endbereich 5 eine Bohrung 8, durch die bei
montiertem Verbindungsknoten eine Schraube 70 verläuft, deren Durchmesser kleiner
ist als der Durchmesser der Bohrung 8.
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Wie bereits erwähnt, ist das Knotenelement 1' gleich aufgebaut wie
das Knotenelement 1, und in der dargestellten Anordnung liegt die konkave Teilkugelfläche
7' des Knotenelementes 1' an der konvexen Teilkugelfläche 6 des Knotenelementes
1 an. Da, wie vorstehend bereits erwähnt, der Raumwinkel der konvexen Teilkugelfläche
größer ist als der Raumwinkel der konkaven Teilkugelfläche, ergibt sich zwischen
dem Flansch 9 des Knotenelementes 1 und dem Flansch 9' des Knotenelementes 1' in
Richtung des gemeinsamen Durchmessers ein gewisser Abstand, der ein Verschwenken
der Knotenelemente 1, 1' durch Verschiebung der Teilkugelflächen 6, 7' aufeinander
ermöglicht.
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Während bei dem Knotenelementen 1, 1' die Längsachse des hinteren
Endbereichs
2, 2' senkrecht zur gemeinsamen Achse des vorderen Endbereiches 5, 5' und koaxial
zur Längsachse des Rohrelementes 10 bzw. 10' verläuft, ist bei dem Knotenelement
21 ein Verlauf der Längsachse des hinteren Endbereiches 22 zur gemeinsamen Achse
der Teilkugelflächen 26, 27 in einem Winkel von beispielsweise 45 ° gegeben. Der
hintere Endbereich 22 dieses Knotenelementes ist in ein Rohr 30 eingesteckt, und
die Einstecktiefe wird durch die Ringschulter 32 begrenzt. An den koaxial zum hinteren
Endbereich.22 verlaufenden Mittelabschnitt 24 schließt der vordere Endbereich an,
der die beiden Teilkugelflächen 26, 27 aufweist, deren Form und Ausrichtung zueinander
den Teilkugelflächen 6, 7 des Knotenelementes 1 entspricht.
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Diese Teilkugelflächen enden in einem umlaufenden Flansch 29 entsprechend
dem Flansch 9. des Knotenelementes 1, und die konkave Teilkugelfläche 27 liegt an
der konvexen Teilkugelfläche 6' des Knotenelementes 1' an, so daß sich zwischen
den Flanschen 9' und 29 ein Abstand ergibt, der die vorstehend erläuterte Schwenkbewegung
ermöglicht.
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Wie die Figur- zeigt, können somit die erfindungsgemäßen Knotenelemente
benutzt werden, um stabförmige Elemente unter einem Winkel ungleich O zur gemeinsamen
Achse der Teilkugelflächen an einen Verbindungsknoten anzuschließen.
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Zum Anschluß von Rohren, deren Längsachsen koaxial zur gemeinsamen
Achse der Teilkugelflächen verlaufen, an den Verbindungsknoten dienen die Knotenelemente,
die in Zusammenhang mit den Rohren 40 und 60 dargestellt sind.
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Das in das Rohr 40 eingesteckte Knotenelement 31 hat einen hinteren
Endbereich 32 sowie in seinem vorderen Endbereich eine einzige konkave Teilkugelfläche
37, die an der gleichen Radius aufweisenden, konvexen Teilkugelfläche 26 des Knotenelementes
21 anliegt, wobei zwischen der Ringschulter 33 des Knotenelementes 31 und dem Flansch
29 das Knotenelement 21 ein Abstand entsprechend den Abständen zwischen den umlaufenden
Flanschen 9, 9' der Knotenelemente 1, 1' vorhanden ist. Das in das Rohr 60 eingesetzte
Knotenelement'hat einen hinteren Endbereich 52 sowie in seinem vorderen Endbereich
eine konvexe Teilkugelfläche 56, die an der gleichen Radius aufweisenden konkaven
Teilkugelfläche 7 des Knotenelementes 1 anliegt. Der Einschub in das Rohr 60 wird
durch eine Ringschulter 53 begrenzt, und zwischen dem Flansch 9 des Knotenelementes
1 und der der Anlagefläche der Ringschulter 53 gegenüberliegenden Flanschfläche
ergibt sich ein Abstand entsprechend dem Abstand zwischen den umlaufenden Flanschen
9, 9' der Knotenelemente 1, 1'.
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Zur Montage der dargestellten Anordnung kann beispielsweise so vorgegangen
werden, daß zunächst die gewünschten Knotenelemente mit ihren vorderen Endbereichen
zusammengefügt und etwa durch die Schraube 70 verbunden werden. Hierzu weisen alle
Knotenelemente
eine koaxial zur gemeinsamen Achse bzw.
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koaxial zur Längsachse des hinteren Endbereiches 32, 52 verlaufende
Bohrungen 8, 8', 28, 38, 58 auf, von denen die Bohrung 58 in dem in das Rohr 60
eingesteckten Knotenelement eine Gewindebohrung ist, während die Bohrungen in den
übrigen Knotenelementen größeren Durchmesser als die Schraube 70 haben. Auf diese
Weise kann also die Schraube 70 sich durch die vorderen Endbereiche der Knotenelemente
31, 21, 1' und 1 erstrecken und in die Gewindebohrung 58 eingeschraubt sein. Nunmehr
werden die Rohre 10, 10', 30 und 60 auf die hinteren Endbereiche des jeweiligen
Knotenelementes aufgesteckt, wobei durch Wahl der Einstecktiefe Längenanpassungen
vorgenommen werden können. Befinden sich die Rohre in der richtigen Lage, so werden
sie und die hinteren Endbereiche quer durchbohrt, und es entstehen dann die Bohrungen
11, 12, 13, 14 bzw. 11', 12', 13', 14' bzw. 61, 62, 63, 64, durch die beispielsweise
Schrauben oder Splinte geführt werden können, um eine Trennung von Rohr und Knotenelement
in axialer Richtung sowie eine Verdrehung von Rohr und Knotenelement gegeneinander
zu verhindern.
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Nach dieser Montage kann ggf. die Schraube 70 fester angezogen werden,
und es wird dann das Rohr 40 soweit auf den hinteren Endbereich 32 des Knotenelementes
31 aufgeschoben, daß die gewünschte Längenanpassung erreicht wird. Danach werden
auch in diesen, wie vorstehend beschrieben, Querbohrungen hergestellt,
von
denen nur die Bohrungen 41 und 42 bezeichnet sind, um eine Verbindung zwischen Rohr
und Knotenelement mittels Schraube oder Splint vorzunehmen.
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In dem so aufgebauten Verbindungsknoten werden die von den Rohren
auf den Knoten übertragenen Kräfte im wesentlichen über die teilkugelförmigen Flächen
übertragen, während nur ein sehr geringer Anteil dieser Kräfte von der Schraube
70 aufgenommen werden muß. Darüberhinaus sind die Knotenelemente im Bereich ihrer
vorderen Endbereiche in gewissem Umfang gegeneinander verschiebbar, wobei benachbarte
Teilkugelflächen aufeinander gleiten, und um die Gleitbewegung zu ermöglichen, sind
einerseits die Abstände zwischen den Flanschen benachbarter Knotenelemente vorhanden
und andererseits die koaxial zur gemeinsamen Achse bzw.
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zur Längsachse des hinteren Endbereichs verlaufenden Bohrungen mit
größerem Durchmesser ausgebildet als die Schraube 70, so daß weder durch die Flansche
noch durch die Schraube ein Verschwenken vollständig verhindert wird.
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Es sei darauf hingewiesen, daß sich die erfindungsgemäßen Knotenelemente
sehr einfach herstellen lassen. Sollen diese beispielsweise aus Stahl bestehen,
so können sie gegossen werden, ohne daß eine Nachbearbeitung erforderlich wäre,
und für gewisse Anwendungszwecke ist auch eine Herstellung aus Kunststoff, beispielsweise
im Spritzgußverfahren möglich.
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