DE3910627A1 - Verbindungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement, insbesondere eine Kupplungsmuffe, für eine Schraubverbindung von selbst­ bohrenden Injektionsankern bzw. zugeordneten Teilen. Das Verbindungselement weist auf einer zylindrischen Grundfläche ausgebildet ein Innengewinde auf, wobei der Injektionsanker bzw. das zugeordnete Teil ein entsprechendes, auf einer zylindrischen Grundfläche ausgebildetes Außengewinde aufweist. Das zugeordnete Teil kann insbesondere eine Bohr­ krone für ein Ankerteil sein.

Derartige Injektionsanker bzw. allgemein Ankerelemente wer­ den im Baubereich zu verschiedensten Zwecken eingesetzt. Bei­ spielsweise im Tunnelbau zur Sicherung einer Gewölbeausbil­ dung. Die Injektionsanker werden etwa radial zu dem Gewölbe in das umgebende Gestein eingetrieben und dort durch einge­ spülten Beton verankert. Es sind darüber hinaus noch eine Reihe verschiedener anderer Anwendungsmöglichkeiten gegeben.

Wesentlich ist, daß ein derartiger Injektionsanker im Zuge des Eintreibens in den Boden bzw. eine Gesteinsschicht aus mehreren Ankerelementen zusammengesetzt wird, die dann im Gestein oder dergleichen verbleiben. Die Ankerelemente wer­ den durch Kupplungsmuffen miteinander verbunden. Die Kupp­ lungsmuffen besitzen ausgehend von beiden Enden ein zylindri­ sches Innengewinde, so daß in beide Endbereiche der Kupp­ lungsmuffe ein Ende des Ankerelementes eingeschraubt werden kann. Die Innengewinde laufen etwa mittig in der Kupplungs­ muffe aus. Die Kupplungsmuffe bildet im Endbereich der Innen­ gewinde eine umlaufende Schulter aus, gegen welche die Stirn­ flächen der eingeschraubten Enden der Ankerelemente stoßen.

Zur Verbindung von Bohrstangen und Bohrkronen ist es darüber hinaus bekannt, das Ende der Bohrstange und die Aufnahme der Bohrkrone jeweils aneinander angepaßt konisch auszubilden, mit einem Konuswinkel von 3°.

Hinsichtlich der erwähnten Verbindungselemente mit Innenge­ winde ist es auch bekannt, für eine Verbindung zwischen einer Bohrstange und einer Bohrkrone das Gewinde mit einem Freistich am Ende auszubilden, so daß die Stirnflächen des Bohrstangenendes und der Bohrkrone an planen Flächen aufein­ ander schlagen, um die Stoßenergie bei einem Bohrvorgang zu übertragen.

Allgemein ist es auch noch bekannt, bei Bewehrungsanschlüs­ sen zur Ubertragung überwiegend ruhender Kräfte Kupplungsmuf­ fen mit kegligem Feingewinde auf der gesamten Muffenlänge auszubilden.

Letztgenannte Bewehrungsanschlüsse lassen sich zwar sehr schnell verschrauben, sind auch relativ gut zu lösen, müssen jedoch innerhalb sehr enger Toleranzen mit hohem Aufwand gefertigt werden.

Bei einer rein kraftschlüssigen Verbindung über die erwähnte Konusausgestaltung kann ein Fressen zwischen den Konusflä­ chen auftreten, so daß sich die Elemente nicht oder nur sehr schwer voneinander lösen lassen. Andererseits sind die über­ tragbaren Kräfte begrenzt. Es kann zu einem Durchdrehen kommen. Auch ist ein unbeabsichtigtes Lösen nicht ausge­ schlossen.

Bei der zunächst erwähnten Verbindungsart über zylindrisches Innen- und Außengewinde ist zwar ein formschlüssiger Zusam­ menhalt gegeben, der ein unbeabsichtigtes Lösen nicht zuläßt und darüber hinaus die Übertragung hoher Kräfte ermöglicht. Es ist jedoch nicht auszuschließen, daß an der Verbindungs­ stelle, im Bereich der Stirnfläche des Ankerendes, welche Fläche auf die erwähnte umlaufende Schulter in der Muffe trifft, Relativbewegungen beim schlagenden Bohren auftreten. Hierdurch kann eine Erwärmung an der Verbindungsstelle ein­ treten, die zu einer Festigkeitsminderung führt und in der Kupplungsmuffe einen Dauerbruch auslösen kann. Es ist daher anzustreben, eine vorgespannte Verbindung zwischen bspw. dem Ankerteil und der Kupplungsmuffe zu haben. Andererseits sind insbesondere Injektionsanker und sie die verbindenden Kupp­ lungsmuffen verlorene Teile, die, wie erwähnt, in dem Ge­ stein oder dergleichen verbleiben. Es wird daher auch ange­ strebt, diese Elemente möglichst preisgünstig auszubilden.

Ausgehend von dem aufgezeigten Stand der Technik stellt sich der Erfindung die Aufgabe, ein Verbindungselement, insbeson­ dere eine Kupplungsmuffe, für beispielsweise selbstbohrende Injektionsanker anzugeben, das bei kostengünstiger Herstell­ barkeit einen erhöhten Gebrauchswert aufweist.

Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebene Erfin­ dung gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß sich an die zylindrische Grundfläche des Innengewindes eine konisch zulaufende Grund­ fläche anschließt, auf welcher sich das Innengewinde fort­ setzt. Bei unveränderter Ausbildung des einzuschraubenden Elementes, beispielsweise des Endes eines Injektionsankers, wird hierdurch erreicht, daß beim Einschrauben zunächst ein Verklemmen auftritt, wenn der Gewindeauslauf des Injektions­ ankers den Übergang zu dem konisch zulaufenden Bereich in dem Innengewinde des Verbindungselementes erreicht. Beim nachfolgenden schlagenden Bohren wird ein Endbereich des eingeschraubten Elementes um ein gewisses Maß in den koni­ schen Bereich eingetrieben, und zwar unter Anpassung an den konischen Bereich durch eine Kaltverformung. Uberraschender­ weise hat sich herausgestellt, daß trotz einer sicheren, spielfreien Verbindung gleichwohl ein Trennen der Elemente durch Abschrauben nach einem Bohrvorgang, soweit erforder­ lich, möglich ist. Aufgrund der Verformungsvorgänge stellt sich eine Vorspannung in der Gewindeverbindung ein, verbun­ den mit einem sehr dichten Anliegen aneinander in den Gewin­ degängen. Es entsteht eine metallische Dichtung, welche insbesondere bei den erwähnten Injektionsankern vorteilhaft ist, die bekanntlich röhrenartig ausgebildet sind, zur Durch­ leitung von etwa Spülflüssigkeit oder Betonmasse. In weite­ rer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Gewindetiefe und die Gewindesteigung in dem zylindrischen Bereich und in dem konischen Bereich gleich sind. Es wird in dem konischen Bereich die Gewindeprofilierung praktisch in gleicher Weise wie in dem zylindrischen Bereich fortgeführt. Aufgrund der Ausbildung des Gewindeprofils auf einer konischen Fläche ergibt sich jedoch eine gewisse Profilverzerrung. Es ist auch vorteilhaft, daß der Konuswinkel in dem konischen Be­ reich größer ist als der Grenzwinkel für Selbsthemmung der Werkstoffpaarung an der Verbindungsstelle. Bei Stahl beträgt der Grenzwinkel bekanntlich etwa 6. Es ist bevorzugt, in den konischen Bereich den Konuswinkel deutlich über diesem Winkel für Selbsthemmung zu wählen. Für die Werkstoffpaarung Stahl auf Stahl ist bevorzugt, einen Konuswinkel von etwa 10 zu wählen. Bei einer Ausbildung des Verbindungselementes als Kupplungsmuffe ist diese symmetrisch bezüglich eines etwa mittigen Querschnittes ausgebildet. Ausgehend von die­ sem mittigen Querschnitt schließt sich in beiden Richtungen entsprechend zunächst ein sich konisch erweiternder Bereich mit Innengewinde an und sodann ein zylindrischer Bereich mit Innengewinde, wobei das Gewindeprofil in dem zylindrischen und dem konischen Bereich jeweils dasselbe ist, und zwar auf beiden Seiten. Weiter bevorzugt ist, daß das Innengewinde ein sogenanntes Kordelgewinde ist, wie es im einzelnen aus der beigefügten Zeichnung hervorgeht, auf welche noch weiter unten eingegangen ist. Das Kordelgewinde gleicht einem Tra­ pezgewinde mit abgerundeten Flanken. Im einzelnen ist der zylindrische Bereich bevorzugt mit einer Länge ausgebildet, die etwa dem eineinhalbfachen des Gewindeaußendurchmessers des Innengewindes in diesem Bereich entspricht. Der konische Bereich ist bevorzugt mit einer Länge ausgebildet, die etwa 1/3 des Gewindeaußendurchmessers im zylindrischen Bereich entspricht.

Nachstehend ist die Erfindung noch weiter im einzelnen an­ hand der beigefügten Zeichnung, die jedoch lediglich Ausfüh­ rungsbeispiele darstellt, erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Kupplungsmuffe mit einseitig eingeschraubtem Ankerteil;

Fig. 2 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung des Innen­ gewindes bei dem Gegenstand gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein weiteres alternatives Verbindungselement, mit einseitig ausgebildetem zylindrischen und koni­ schem Gewindebereich.

Dargestellt und beschrieben ist eine Kupplungsmuffe 1 (Fig. 1), die mit einem Endbereich eines im einzelnen nicht dargestellten Injektionsankers 2 verbunden ist, sowie eine Einheitsübergangsmuffe 3 (Fig. 3), die weiter unten im ein­ zelnen beschrieben ist.

Injektionsanker, bei welchen Kupplungsmuffen gemäß Fig. 1 bzw. Einheitsübergangsmuffen gemäß Fig. 3 bevorzugt zum Einsatz kommen, sind beispielsweise aus der DE-OS 34 00 182 bekannt.

Die in Fig. 1 dargestellte Kupplungsmuffe 1 besitzt zwei innere zylindrische Bereiche a, an welche sich jeweils ein konischer Bereich b anschließt. In dem zylindrischen Bereich a ist eine Gewindeprofilierung auf einer zylindrischen Grund­ fläche ausgebildet und in dem konichen Bereich b ist die Gewindeprofilierung auf einer konischen Grundfläche ausgebil­ det. Die Gewindeprofilierung ist in beiden Bereichen hin­ sichtlich der geometrischen Abmessungen, wie Gewindetiefe, Gewindesteigung und Querschnittsfläche einer Gewinderippe gleich. Die Gewindeprofilierungen unterscheiden sich nur dadurch, daß eben in dem konischen Bereich b die Gewindepro­ filierung auf der konischen Fläche ausgebildet ist.

Ein Konuswinkel alpha des konischen Bereiches b ist größer als der Grenzwinkel für Selbsthemmung bei der zugrundeliegen­ den Werkstoffpaarung. Bei den Ausführungsbeispielen bestehen die Kupplungsmuffe, die Einheitsübergangsmuffe und auch die Ankerteile jeweils aus Stahlguß, für welche von einem Grenz­ winkel für Selbstreibung von etwa 6° ausgegangen wird. Bevor­ zugt ist der Winkel alpha des konischen Bereiches deutlich größer, beim Ausführungsbeispiel etwa 10°. Bezüglich eines mittleren Querschnittes Q ist die Kupplungsmuffe 1 symme­ trisch ausgebildet. Das Innengewinde 8 der Kupplungsmuffe 1 ist bevorzugt ein Kordelgewinde, wie es im einzelnen in Fig. 2 dargestellt ist. Es handelt sich im wesentlichen um ein Trapezgewinde mit abgerundeten Übergängen 4 der Flanken 5 in den zylindrischen Abschnitt 6.

Die in Fig. 3 dargestellte Übergangsmuffe 3 dient zur Verbin­ dung eines (nicht dargestellten) Ankerteiles 2 mit beispiels­ weise dem Abtrieb eines - gleichfalls nicht dargestellten - Bohrhammers. Hierbei wird das Ankerteil 2 auf der in Fig. 3 linken Seite eingeschraubt, während das Antriebsteil des Bohrhammers auf der in Fig. 3 rechten Seite in die Übergangs­ muffe eingeschraubt wird.

Wie beim Gegenstand gemäß Fig. 2 ist auch beim Gegenstand gemäß Fig. 3 das Innengewinde 8 auf der linken Seite der Übergangsmuffe 3 in einen zylindrischen Bereich a und einen konischen Bereich b aufgeteilt.

Während die Länge des Abschnittes a beim Gegenstand gemäß Fig. 1 etwa dem 1 1/2-fachen des Gewindeaußendurchmessers c entspricht, ist diese Länge beim Gegenstand gemäß Fig. 3 etwas größer gewählt. Sie entspricht etwa dem 1,8-fachen. Die Länge des Bereiches b entspricht etwa einem Drittel bis der Hälfte der Länge eines Außendurchmessers des Innengewin­ des 8 im Bereich des Abschnittes a. Die Länge dieses Ab­ schnittes ist aber weniger von Bedeutung, wie weiter unten noch im einzelnen ausgeführt ist, da sie nicht voll ausge­ nutzt ist. Es ist jedoch von Bedeutung, daß sie mindestens die Länge eines Gewindeganges übertrifft.

Die beschriebene Gewindeausbildung kann auch bei einer Bohr­ krone ausgebildet sein, die als vorderstes Element auf einen Injektionsanker ausgeschraubt wird. Insofern ist im Rahmen dieser Anmeldung die Bezeichnung Verbindungselement auch als Endelement, bspw. als Bohrkrone zu verstehen.

Beim Aufschrauben des Verbindungselementes auf das Ende eines Injektionsankers 2 oder dergleichen kann das Verbin­ dungselement ohne weiteres soweit aufgeschraubt werden, bis das eingeschraubte Ende des Injektionsankers an den Übergang zu dem konischen Bereich stößt. Es stellt sich dann zunächst ein punktförmges Verklemmen in diesen Bereich ein. Durch den dann anzuschließenden Bohrhammer wird der Injektionsanker 2 und das Verbindungselement im folgenden drehend schlagendbe­ ansprucht. Dies führt zu einem Umformvorgang im vorderen Bereich des Injektionsankerendes. Im Wege einer Kaltverfor­ mung paßt sich das Ende des Injektionsankers 2 an den koni­ schen Bereich b des Innengewindes 8 an.

In Fig. 1 ist dies dadurch angedeutet, daß der letzte Gewin­ degang 10 des Injektionsankers 2 sich in dem konischen Be­ reich b befindet. Dies stimmt überein mit dem in der Praxis gefundenen Ergebnis, daß dieser Umformvorgang etwa auf der Länge eines Gewindeganges auftritt.

Nachdem eine feste Kupplung vorliegt, wird die Schlagenergie ausschließlich über den Kontakt in den Gewindegängen, durch die spielfrei verspannten Flanken erreicht. Wesentlich ist hierbei, daß zwangsläufig auch eine metallische Dichtung entsteht. Die Injektionsanker sind, wie sich bspw. aus Fig. 1 ergibt, mit einem inneren Kanal 7 ausgebildet, zur Durchleitung von Spülflüssigkeit oder einer Betonmasse. Bei Undichtigkeiten im Bereich der Kupplungsmuffe 1 oder auch der Übergangsmuffe 3 kann Spülflüssigkeit oder Betonmasse an unerwünschten Stellen austreten. Dies ist durch die hier beschriebene Ausbildung gleichzeitig zuverlässig verhindert.

Überraschenderweise läßt sich die Gewindeverbindung auch gut lösen. Hierbei ist der erwähnte große Konuswinkel von vor­ zugsweise ca. 10° mit von Bedeutung. Ein Fressen des Gewin­ des kann durch ein gutes Fetten der Stangenenden verhindert werden. Gleichzeitig wirkt sich in dieser Beziehung aber auch die Verfestigung an dem Endbereich des Injektionsankers 2 vorteilhaft aus, durch die Kaltverformung und auch eine gewisse Verfestigung des entsprechenden Bereiches des Innen­ gewindes 8 der Kupplungsmuffe 1 oder der Übergangsmuffe 3.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmalen der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirkli­ chung der Erfindung von Bedeutung sein.

Claims (7)

1. Verbindungselement, insbesondere Kupplungsmuffe (1), für eine Schraubverbindung von selbstbohrenden Injektionsankern (2) bzw. zugeordneten Teilen, mit einem auf einer zylindri­ schen Grundfläche (zylindrischer Bereich a) ausgebildeten Innengewinde (8), wobei der Injektionsanker (2) bzw. der zugeordnete Teil ein entsprechendes, auf einer zylindrischen Grundfläche ausgebildetes Außengewinde (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an die zylindrische Grundfläche (Bereich a) des Innengewindes (8) eine konisch zulaufende Grundfläche (b) anschließt, auf welcher sich das Innengewinde (8) fort­ setzt.

2. Verbindungselement, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gewindetiefe und Gewindesteigung in dem zylindrischen Bereich (a) und dem konischen Bereich (b) gleich sind.

3. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Konuswinkel (alpha) größer ist als der Grenzwinkel für Selbsthemmung der Verbindungs-Werkstoffpaarung.

4. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei Ausbildung einer Kupplungs­ muffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsmuffe (1) bezüglich eines etwa mittigen Querschnitts (Q) symmetrisch ausgebildet ist.

5. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (8) ein Kordelgewinde ist.

6. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden, Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Bereich (a) mit mindestens einer etwa dem 1 1/2-fachen des Gewindeaußendurchmessers (c) des Innengewin­ des (8) entsprechenden Länge ausgebildet ist.

7. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Bereich (b) mit einer etwa einem Drittel des Gewindeaußendurchmessers entsprechenden Länge ausgebildet ist.