EP0182777A1 - Nagel - Google Patents
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Classifications
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D21/00—Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection
- E21D21/0026—Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection characterised by constructional features of the bolts
- E21D21/004—Bolts held in the borehole by friction all along their length, without additional fixing means
Definitions
- the invention relates to a nail for driving into anchor holes predrilled in rock or rock, which is radially elastically deformable and at least in one dimension has a thickness that exceeds the diameter of the anchor hole.
- Tubes which can be inserted into predrilled holes and are essentially made of a radially elastic tube with an axially extending slot are known (cf. AT-PS 267 978 and DE-PS 2 405 883).
- the well-known, slotted pipes which are used in particular as rock anchors and which correspond in principle to the clamping sleeves with a straight or angled slot, which are made of spring steel and are used in mechanical engineering, have the following disadvantages:
- the open, slotted, relatively thin-walled pipes already fail when driving in at the end of the pipe and, due to the open slot, either fold up or concertina-like.
- the pipe edges at the slot press into the partly soft mountains.
- the adhesive contact only exists at three points, since the slotted tube compresses more easily in the direction of slit reduction than is deformed evenly radially. Since boreholes in the rock are very rarely exactly circular, the contact areas between the pipe and the borehole wall are additionally reduced in these known pipe anchors.
- the invention aims to avoid the disadvantages mentioned.
- the nail of the type mentioned essentially consists of a web and two approximately semicircular flanks adjoining it symmetrically to the center line of the web, resulting in a continuous S-profile.
- a major advantage of the nail according to the invention is that its profile, due to the stiffening effect of the central web, opposes shear movements of the mountains with much greater resistance than a simple tube, which is also still weakened by the longitudinal slot.
- the S profile of the nail which significantly increases its transverse rigidity, also enables a correspondingly higher load capacity due to the increased steel cross section.
- the s-shaped profile with the cross bar and the semicircular flanks allows due to its significantly increased rigidity to choose thicker wall thicknesses, which in turn result in significantly higher load bearing capacity and, above all, greater shear forces.
- the nails according to the invention can also be used for very large boreholes, as are often produced today by modern, high-performance drilling machines.
- the well-known, slotted pipe anchors were not up to the required enormous driving impact forces.
- the nail according to the invention only needs to be driven into a borehole and can immediately, due to the tension in the anchor itself, by means of friction between the rock nail and the borehole wall, connecting layers of rock over the entire length of the nail and immediately absorbing loads via an anchor plate to be attached to the outside. Due to the crossbar, which stiffens the nail enormously, the nail according to the invention can be driven into the borehole without damage, even with the heaviest hydraulic impact hammers.
- the radius of curvature of the flanks of the nail is preferably approximately the same as the radium of the anchor hole.
- This embodiment is particularly easy to manufacture.
- the different diameters of this profile ensure optimum contact between the nail and the borehole when the nail is driven in, i.e. when it is pressed together forcefully and thus when it clings to the borehole wall.
- the web consists of two oppositely curved parts, as a result of which it has an S-profile-like cross section.
- the nail can be compressed in any direction transversely to the longitudinal axis, as a result of which the nail is pressed evenly along its circumference against the borehole wall.
- the rock nail has a preferably cylindrical thickening in the middle of the web, which may protrude above the rock nail at the entry end and has a thread there.
- the thickening gives the nail a higher stiffness, which is advantageous when driving the nail into the borehole.
- an anchor plate or the like can be easily attached to the nail.
- the thread provides additional fastening options, such as hanging cables, weather bells, etc.
- the nail is preferably tapered conically at the end opposite the driving end. This makes driving the nail into the anchor hole considerably easier.
- the web is preferably slotted at the end on the driving side and the two parts of the web adjoining the slot are bent to the opposite flanks and bent, folded and / or upset together with them.
- the end on the driving side is particularly robust and the transmission of the ramming impacts is also ensured on the web.
- the connection of the transverse web placed at the end to the flanks does not reduce the load-bearing cross section of the profile, especially since these ends are also flanged and firmly connected to the steel disk or to the anchor plate.
- FIG. 1 shows a nail according to the invention in elevation
- Fig. 2 shows a section along the line II-II in Fig. 1
- Fig. 3 another Embodiment of the nail according to the invention in cross section
- FIG. 4 shows a section along the line IV-IV in FIG. 3
- FIG. 5 shows a section through a nail according to FIGS. 1 and 2 after insertion into a borehole.
- the high-strength steel nail 1 consists of a flat web 2 and two adjoining flanks 3, so that there is an S-profile.
- the radius of curvature of the flanks 3 corresponds to the radius of the anchor hole, the width of the web 2 to the diameter of the anchor hole into which the nail is to be driven.
- the thickness of the nail transverse to the web is about 10% larger than the diameter of the anchor hole.
- the nail has a conical taper 4 at the end opposite the end on the driving side.
- flanks are bent outwards and folded to form a flange 6.
- a steel ring 7 is placed on the flange 6, which is fixed by welding.
- the nail 1 can be easily driven into the borehole using a suitable impact device.
- the nail 8 shown in Figures 3 and 4 has a web 9, which consists of two oppositely curved parts; this gives the web an S-profile-like appearance Cross-section.
- the web 9 has a cylindrical thickening 10 in the middle for reinforcing the nail 8.
- the thickening 10 protrudes beyond the driving-in end of the nail and is provided with a thread 11.
- an annular nut is screwed onto the threaded projecting part of the thickening, which can serve to hold various objects.
- the embodiment with a flat web according to FIGS. 1 and 2 can also be provided with a thickening in the middle.
- the web can also be provided with an S-profile-like cross section without central thickening.
- Fig. 5 shows the nail according to the invention after being driven into a preformed bore 13 e.g. in ridge 14 of a tunnel.
- the flanks 3 of the nail were pressed together while narrowing the gaps 5, since the diameter of the bore 13 is smaller than the thickness of the nail transverse to the web 2 before the nail was driven in.
- the outer diameter of the nail corresponds to the diameter of the bore 13.
- the invention relates to a nail for driving into anchor holes which are pre-drilled in rock or rock.
- the nail is radically elastically deformable and has a thickness at least in one dimension that exceeds the diameter of the anchor hole.
- the nail consists of a web and two approximately semicircular flanks adjoining it symmetrically to the center line of the web, so that it represents a continuous S-profile. Due to the stiffening effect of the center bar, the nail is very resistant to shear movements in the mountains. Due to its high transverse rigidity, it enables a high load capacity (Fig. 2).
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Nagel zum Eintreiben in in Fels oder Gestein vorgebohrte Ankerlöcher, der radial elastisch verformbar ist und zumindest in einer Dimension eine Dicke aufweist, die den Durchmesser des Ankerloches übertrifft.
- Bekannt sind in vorgebohrte Löcher einsetzbare und im wesentlichen aus einem radial-elastischen, mit einem axial verlaufenden Schlitz ausgestattete Rohre (vgl. AT-PS 267 978 und DE-PS 2 405 883).
- Die bekannten, geschlitzten Rohre, die insbesondere als Gebirgsanker verwendet werden und die im Prinzip den im Maschinenbau verwendeten, aus Federstahl gerollten Spannhülsen mit geradem oder schrägem Schlitz entsprechen, haben folgende Nachteile: Die offenen, geschlitzten, relativ dünnwandigen Rohre versagen bereits beim Eintreiben am Rohrende und falten sich, bedingt durch den offenen Schlitz, entweder auf oder ziehharmonikaartig zusammen. Die Rohrkanten am Schlitz pressen sich in das zum Teil weiche Gebirge ein. Der Haftkontakt besteht vielfach nur an drei Punkten, da sich das geschlitzte Rohr leichter in Richtung Schlitzverkleinerung zusammendrückt, als gleichmäßig radial verformt. Da Bohrlöcher im Gestein ganz selten exakt kreisrund sind, werden bei diesen bekannten Rohrankern die Kontaktflächen zwischen Rohr und Bohrlochwand noch zusätzlich verringert. Um das Einpressen der Rohrkanten beim Eintreiben des geschlitzten Rohres zu vermeiden, wurde gemäß DE-OS 2 741 106 ein Rohranker mit einem im wesentlichen ringförmigen oder rohrförmigen Hauptteil vorgeschlagen, wobei der Hauptteil eine sich in seiner Längsrichtung erstreckende Unterbrechung mit Randteilen aufweist, die sich in Umfangsrichtung des Hauptteils gegenseitig überlappen. Dieser Anker hat jedoch den zusätzlichen Nachteil, daß durch das übereinanderschieben der Randteile über einen Teil des Umfanges bedingt durch die Wandstärke des außen liegenden Rohrteiles ein Hohlraum entsteht, der ohne Reibungskontakt zur Bohrlochwand ist, wodurch die Tragkraft des Ankers erheblich reduziert wird. Auf Grund der glatten und auch offenen Rohrenden besteht auch bei diesem Anker das Problem des Eintreibens und überdies keine Möglichkeit zur Anbringung einer Ankerplatte, die die Gebirgslast bzw. den Gebirgsdruck übernehmen könnte. Da erfahrungsgemäß Anker vornehmlich dazu notwendig sind, Gesteinsfall im Untertagbau zu verhindern, was ja nur mittels der am Anker angebrachten Ankerplatte möglich ist, ist letzterer dazu überhaupt nicht in der Lage.
- Die Erfindung zielt darauf ab, die angeführten Nachteile zu vermeiden.
- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Nagel der eingangs genannten Art im wesentlichen aus einem Steg und zwei daran symmetrisch zur Mittellinie des Stegs anschließenden etwa halbkreisförmigen Flanken besteht, wodurch sich ein durchgehendes S-Profil ergibt.
- Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Nagels besteht darin, daß sein Profil durch die versteifende Wirkung des Mittelsteges Scherbewegungen des Gebirges wesentlich größeren Widerstand entgegensetzt als ein einfaches Rohr, das überdies durch den Längsschlitz noch geschwächt ist. Das S-Profil des Nagels, das seine Quersteifigkeit wesentlich erhöht, ermöglicht auch eine entsprechend höhere Tragkraft, bedingt durch den erhöhten Stahlquerschnitt.
- Das s-förmige Profil mit dem Quersteg und den halbkreisförmigen Flanken ermöglicht auf Grund seiner wesentlich erhöhten Steifigkeit die Wahl von dickeren Wandstärken, die wiederum wesentlich höhere Trag- und vor allem größere Scherkräfte ergeben. Auch sind die erfindungsgemäßen Nägel für sehr große Bohrlöcher, wie sie heute vielfach von den modernen, hochleistungsfähigen Bohrmaschinen hergestellt werden, verwendbar. Die bekannten, geschlitzten Rohranker waren den erforderlichen, enormen Eintreibschlagkräften nicht gewachsen.
- Der erfindungsgemäße Nagel braucht lediglich in ein Bohrloch eingetrieben zu werden und kann sofort, bedingt durch die Spannung im Anker selbst, durch Reibung zwischen dem Felsnagel und der Bohrlochwand über die gesamte Länge des Nagels Gesteinsschichten verbinden und über eine außenseitig anzubringende Ankerplatte sofort Lasten aufnehmen. Bedingt durch den, den Nagel enorm versteifenden Quersteg kann der erfindungsgemäße Nagel auch mit den schwersten hydraulischen Schlaghämmern einwandfrei, ohne Schaden zu nehmen, in das Bohrloch eingetrieben werden.
- Vorzugsweise ist der Krümmungsradius der Flanken des Nagels etwa dem Radium des Ankerlochs gleich. Dadurch wird nach Zusammendrücken des Nagels beim Eintreiben dieser kreisrund und der Nagel liegt vollflächig im Bohrloch an und wird durch die enorme Spannung im Steg mit großem Druck angepreßt.
- Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat der z.B. eben ausgebildete Steg eine Breite, die dem Durchmesser des Ankerloches gleich ist, wobei die Dicke des Nagels quer zum Steg etwa um 10 % größer ist als der Durchmesser des Ankerloches. Diese Ausführungsform ist besonders einfach herzustellen. Die unterschiedlichen Durchmesser dieses Profiles gewährleisten beim Eintreiben des Nagels, das heißt beim gewaltsamen Zusammendrücken und damit beim Anschmiegen an die Bohrlochwand einen optimalen Kontakt zwischen Nagel und Bohrloch.
- Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht der Steg aus zwei entgegengesetzt gekrümmten Teilen, wodurch er einen S-profilähnlichen Querschnitt aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist der Nagel in jeder Richtung quer zur Längsachse zusammendrückbar, wodurch der Nagel entlang seines Umfanges gleichmäßig an die Bohrlochwand gepreßt wird.
- Es ist vorteilhaft, wenn der Felsnagel in der Mitte des Steges eine vorzugsweise zylindrische Verdickung aufweist, die gegebenenfalls am eintrcibseitigen Ende des Felsnagels über diesen hinausragt und dort ein Gewinde aufweist. Durch die Verdickung erhält der Nagel eine höhere Steifigkeit, was beim Eintreiben des Nagels in das Bohrloch vorteilhaft ist. Zusätzlich kann, falls die Verdickung am eintreibseitigen Ende des Felsnaqels über diesen hinausragt und dort ein Gewinde aufweist, leicht eine Ankerplatte o.a. am Nagel befestigt werden. Das Gewinde ergibt zusätzliche Befestigungsmöglichkeiten, wie Aufhängung von Kabel, Wetterlutten usw.
- Vorzugsweise ist der Nagel an dem dem eintreibseitigen Ende gegenüberliegenden Ende konisch verjüngt. Dadurch wird das Eintreiben des Nagels in das Ankerloch erheblich erleichtert.
- Es ist weiters vorteilhaft, wenn an dem eintreibseitigen Ende zur Bildung eines Flansches die Flanken nach außen umgebogen und vorzugsweise ein- oder mehrfach gefaltet sind, oder wenn das eintreibseitige Ende zu einem Wulst aufgestaucht ist. Dadurch wird der Nagel an seinem eintreibseitigen Ende verstärkt und hält sehr starken Rammstößen beim Eintreiben stand. Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn auf dem Flansch oder Wulst zur Verbreiterung ein Stahlring aufgesetzt und durch Verschweißung fixiert ist. Dadurch wird die Fläche verbreitert, wodurch die Befestigung von z.B. Ankerplatten erleichtert und ihr sicherer Halt gewährleistet ist. Auf den Flansch oder Wulst kann auch direkt eine Ankerplatte aufgesetzt und angeschweißt werden.
- Vorzugsweise ist der Steg am eintreibseitigen Ende geschlitzt und die beiden am Schlitz angrenzenden Teile des Steges sind zu den gegenüberliegenden Flanken gebogen und mit diesen gemeinsam nach außen umgebogen, gefaltet und/ oder aufgestaucht. Dadurch ist das eintreibseitige Ende besonders robust ausgebildet und die Übertragung der Rammstöße auch auf den Steg gewährleistet. Durch die Verbindung des endseitig an die Flanken angelegten Quersteges wird der tragende Querschnitt des Profiles nicht verringert, zumal diese Enden ja auch noch umgebördelt und mit der Stahlscheibe bzw. mit der Ankerplatte fest verbunden werden.
- An Hand der Fig. 1 - 5 wird der Erfindungsgegenstand durch zwei Ausführungsbeispiele näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Nagel im Aufriß, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nagels im Querschnitt schnitt, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig.3 und Fig. 5 einen Schnitt durch einen Nagel gemäß Fig.1 und 2 nach dem Einsetzen in ein Bohrloch.
- Gemäß Fig. 1 und 2 besteht der aus Stahl hoher Festigkeit gebildete Nagel 1 aus einem ebenen Steg 2 und zwei daran anschließenden Flanken 3, so daß sich ein S-Profil ergibt. Der Krümmungsradius der Flanken 3 entspricht dem Radius des Ankerloches, die Breite des Stegs 2 dem Durchmesser des Ankerlochs, in das der Nagel eingetrieben werden soll. Durch entsprechende Anordnung der Flanken 3 in Bezug auf den Steg 2 wird erreicht, daß die Dicke des Nagels quer zum Steg um etwa 10 % größer als der Durchmesser des Ankerloches ist. Um das Eintreiben des Nagels in das Ankerloch zu erleichtern, weist der Nagel an dem dem eintreibseitigen Ende gegenüberliegenden Ende eine konische Verjüngung 4 auf. Beim Eintreiben des Nagels in das Ankerloch wird der Nagel soweit zusammengedrückt, d.h. die Spalten 5 verengt, daß auch die Dicke des Nagels quer zum Steg dem Ankerlochdurchmesser entspricht.
- Um dem eintreibseitigen Ende des Nagels ausreichende Stabilität zu gewähren, damit es die notwendigen Rammstöße aushält, sind die Flanken zur Bildung eines Flansches 6 nach außen umgebogen und gefaltet. Zusätzlich ist auf dem Flansch 6 ein Stahlring 7 aufgesetzt, der durch Verschweißung fixiert ist. Der Nagel 1 kann ganz einfach mit einem geeigneten Schlaggerät in das Bohrloch eingetrieben werden. Dabei werden die beiden halbkreisförmigen Flanken 3, die in etwa dem Bohrlochdurchmesser entsprechen, oder auch geringfügig größer sein können, bis sie dem mehr oder weniger kreisrunden Bohrlochdurchmesser entsprechend, wobei sie sich diesem mit großem Anpreßsruck anschmiegen und nun vollflächig mit enormer Federkraft an die Bohrlochwand anliegen und sofort durch die große Reibung Lasten aufnehmen können.
- Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte Nagel 8 weist einen Steg 9 auf, der aus zwei entgegengesetzt gekrümmten Teilen besteht; dadurch erhält der steg einen S-profilähnlichen Querschnitt. Zusätzlich weist der Steg 9 zur Verstärkung des Nagels 8 in der Mitte eine zylinderförmige Verdickung 10 auf. Die Verdickung 10 ragt über das eintreibseitige Ende des Nagels vor und ist mit einem Gewinde 11 versehen. Im gezeigten Beispiel ist auf den mit Gewinde versehenen vorragenden Teil der Verdickung eine Ringmutter aufgeschraubt, die zur Halterung verschiedener Gegenstände dienen kann.
- Ebenso wie die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform kann auch die Ausführungsform mit ebenem Steg gemäß Fig. 1 und 2 in der Mitte mit einer Verdickung versehen sein. Selbstverständlich ist es auch möglich den Steg mit S-profilähnlichem Querschnitt ohne mittiger Verdickung auszuführen.
- Fig.5 zeigt den erfindungsgemäßen Nagel nach dem Eintreiben in eine vorgeformte Bohrung 13 z.B. im First 14 eines Tunnels. Im Zuge des Eintreibens wurden die Flanken 3 des Nagels unter gleichzeitiger Verengung der Spalten 5 zusammengedrückt, da der Durchmesser der Bohrung 13 kleiner ist als die Dicke des Nagels quer zum Steg 2 vor dem Eintreiben des Nagels. Im eingetriebenen Zustand entspricht der Außendurchmesser des Nagels dem Durchmesser der Bohrung 13.
- Zusammenfassung
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Nagel zum Eintreiben in Ankerlöchcr, die in Fels oder Gestein vorgebohrt sind. Der Nagel ist radikal elastisch verformbar und weist zumindest in einer Dimension eine Dicke auf, die den Durchmesser des Ankerlochs übertrifft. Der Nagel besteht aus einem Steg und zwei daran symmetrisch zur Mittellinie des Steges anschließenden etwa halbkreisförmigen Flanken, sodaß er ein durchgehendes S-Profil darstellt. Durch die versteifende Wirkung des Mittelsteges ist der Nagel gegenüber Scherbewegungen des Gebirges sehr widerstandsfähig. Aufgrund seiner hohen Quersteifigkeit ermöglicht er eine hohe Tragkraft (Fig. 2).
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