EP1090207B1 - Zuganker insbesondere zur sicherung von felswänden sowie verfahren zur herstellung eines derartigen zugankers - Google Patents

Zuganker insbesondere zur sicherung von felswänden sowie verfahren zur herstellung eines derartigen zugankers Download PDF

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EP1090207B1
EP1090207B1 EP99922153A EP99922153A EP1090207B1 EP 1090207 B1 EP1090207 B1 EP 1090207B1 EP 99922153 A EP99922153 A EP 99922153A EP 99922153 A EP99922153 A EP 99922153A EP 1090207 B1 EP1090207 B1 EP 1090207B1
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anchor rod
anchor
thread
fibres
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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
    • 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
    • E21D21/0006—Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection characterised by the bolt material

Definitions

  • the invention relates to a tie rod for construction purposes, in particular to secure rock walls, with one out of one Polymer composite existing, at its head end End a threaded anchor rod for receiving a screwable onto the thread of the anchor rod, preferably pressure nut that can be supported against a pressure plate.
  • a threaded rod made of fiber material is previously known from EP 0 191 337 A.
  • Tie rods of this type are used primarily for permanent Securing unstable mountain areas, for system anchoring in order to increase the construction resistance and for security measures used in underground and special civil engineering.
  • the anchor rods are in holes of the rock walls to be secured, with an anchor mortar or anchor resin glued and with the head side pushed-on pressure plate and one screwed onto the thread Pressure nut clamped.
  • the tie rod consists mainly of steel or made of glass fibers, which in a special process with Polyester resin or epoxy resin can be glued.
  • the sawtooth-like Thread is cut into the anchor rod. It is perceived as a disadvantage that the glass fibers are cut at the interfaces, whereby a undesirable material weakening occurs.
  • the invention is based on the object a tie rod of the type specified at the beginning and a To develop processes for its production, with which the Manufacture of the anchor rod is simplified and yet a higher tractive force can be achieved.
  • the idea of the solution according to the invention lies above all based on the fact that with continuous reinforcing fibers achieved an increased tensile force in the area of the thread can be.
  • the polymer composite a variety extending over the entire length of the anchor rod, into a binder matrix made of thermoplastic Plastic embedded and uninterrupted in the thread area Has reinforcing fibers.
  • the glass transition point is of the thermoplastic used at least 100 ° C and the flow transition point at least 160 ° C.
  • the reinforcing fibers contain carbon fibers or are designed as such.
  • Advantageously hybrid fibers mainly consisting of carbon, Glass and / or aramid fibers used in their Overall, a high shear strength corresponding to the steel exhibit.
  • the reinforcing fibers form a braided hose soaked with the binder, in the suitably purely axially aligned carbon fibers or carbon fiber strands are arranged in the a large number of glass fibers or glass fiber strands predominantly can be braided in the circumferential direction.
  • thermoplastic is expediently used as the binder matrix Plastic from the group polyolefins, vinyl polymers, Polyamides, polyesters, polyacetals, polycarbonates, thermoplastic polyurethanes and ionomers provided. Around cement-free anchoring in the rock or structural borehole It may be an advantage if the thermoplastic binder under the influence of Heat can be plasticized and swellable at the same time.
  • the tie rod expediently a variety of endless reinforcing fibers in the coextrusion process or pultrusion process in the Binder matrix embedded from thermoplastic material.
  • the thread can be cut under the influence of pressure and preferably heat without cutting and without separating the reinforcing fibers in the Anchor rod can be molded.
  • Tie rod an initially dry one, made of reinforcing fibers Braided tube formed with liquid thermoplastic Soaked binder and forming the anchor rod be cured.
  • the thread and if necessary a plurality of transverse grooves are appropriate before Hardening the binder in and in the anchor rod Braided hose molded in. Basically, however, it is also possible, the thread and possibly a plurality Cross grooves after the binder has hardened The effect of pressure and heat in the anchor rod.
  • Anchor rod inserted into the hole above its central one Cavity locally above its flow transformation point Binder heated and cohesive and / or positively connected to the bore wall become.
  • the anchor rod can also swell of the binder are heated locally.
  • the anchor rod is preferably a heating lance inserted into the bore of the anchor rod and electrically heated.
  • the tie rod shown in the drawing is an adhesive anchor educated. It is particularly suitable as a rock anchor for the permanent and temporary backup of unstable Mountain zones and to increase stability of the mountains when building tunnels and tunnels. It includes an anchor rod 10, in which a head-side thread 12 is molded, a pressure plate 14 and one on the Thread 12 of the anchor rod screw-on pressure nut 16.
  • 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 predominantly reinforcing fibers consisting of carbon fibers (hybrids) 18, which are made into a binder matrix 20 thermoplastic are embedded.
  • the endless ones Reinforcing fibers 18 are useful in the coextrusion process or in the pultrusion process into the binder matrix 20 embedded and after curing in the desired anchor rod length cut to length.
  • the thermoplastic Binder matrix 20 ensures that the anchor rod at Temperature is sufficiently stiff and by heating to a temperature above the glass transition point is plastically deformable.
  • the thread 12 can accordingly under the influence of pressure and if necessary Heat without breaking the reinforcing fibers 18 in the prefabricated anchor rod 10 are introduced. Thereby there is no impermissible weakening of material in the area of the thread on. Further can be spaced along the entire length mutually arranged transverse grooves 26 in the anchor rod 10 are pressed in, which provides better anchoring ensure in the injected material.
  • the invention according to the features of claim 1 refers to a tie rod for building purposes, in particular a rock anchor designed as an adhesive anchor.
  • the Tie rod has a polymer composite a sawtooth at its head end Thread 12 having anchor rod 10 for receiving a pressure nut 16 that can be supported against a pressure plate 14, which is screwed onto the thread 12 of the anchor rod.
  • a particularly efficient producibility without loss The polymer composite demonstrates tensile strength the anchor rod 10 a variety of itself the entire length of the anchor rod extending into one Binder matrix 20 made of thermoplastic embedded and continuous reinforcement fibers in the thread area 18 on.
  • the thread 12 can act of pressure and possibly of heat without cutting the anchor rod 10 are molded.

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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 aufschraubbaren, vorzugsweise gegen eine Druckplatte abstützbaren Druckmutter.
Eine Gewindestange aus Fasermaterial ist etwa aus EP 0 191 337 A vorbekannt.
Zuganker dieser Art werden vor allem für die permanente Sicherung von instabilen Gebirgszonen, für die Systemankerung zwecks Erhöhung des Bauwiderstandes sowie für Sicherungsmaßnahmen im Untertage- und Spezialtiefbau 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 vorwiegend 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 Materialschwächung auftritt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Zuganker der eingangs angegebenen Art sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu entwickeln, womit die Herstellung des Ankerstabs vereinfacht wird und dennoch eine höhere Zugkraft erzielbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1, 12 und 15 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt vor allem der Gedanke zugrunde, daß bei durchgehenden Verstärkungsfasern auch im Bereich des Gewindes eine erhöhte Zugkraft erzielt werden kann. Um dies zu erreichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Polymer-Composite eine Vielzahl sich über die gesamte Länge des Ankerstabs erstrekkende, in eine Bindemittelmatrix aus thermoplastischem Kunststoff eingebettete und im Gewindebereich ununterbrochene 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, beträgt der Glasumwandlungspunkt des verwendeten thermoplastischen Kunststoffs mindestens 100 °C und der Fließübergangspunkt mindestens 160 °C.
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 entsprechende Scherfestigkeit aufweisen. Um eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht zu erhalten, bilden die Verstärkungsfasern einen mit dem Bindemittel getränkten Flechtschlauch, in dem zweckmäßig rein axial ausgerichtete Kohlenstoffasern oder Kohlenstoffaserstränge angeordnet sind, in die eine Vielzahl Glasfasern oder Glasfaserstränge überwiegend in Umfangsrichtung eingeflochten sein können.
Als Bindemittelmatrix ist zweckmäßig ein thermoplastischer Kunststoff aus der Gruppe Polyolefine, Vinylpolymere, Polyamide, Polyester, Polyacetale, Polycarbonate, thermoplastische Polyurethane und Ionomere vorgesehen. Um eine zementfreie Verankerung in der Fels- oder Bauwerksbohrung zu ermöglichen, kann es von Vorteil sein, wenn das thermoplastische Bindemittel unter der Einwirkung von Wärme plastifizierbar und zugleich quellfähig ist.
In Verbindung mit den Kohlenstoffasern wird im Zuge der Plastifizierung der Bindemittelmatrix beim Einbringen des Gewindes eine spannungsfreie Einbettung der Verstärkungsfasern gewährleistet.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Zugankers wird zweckmäßig eine Vielzahl von endlosen Verstärkungsfasern im Koextrusionsverfahren oder Pultrusionsverfahren in die Bindemittelmatrix aus thermoplastischem Material eingebettet. Nach dem Ablängen des Ankerstabs kann das Gewinde unter Einwirkung von Druck und vorzugsweise von Wärme spanlos und ohne Auftrennen der Verstärkungsfasern in den Ankerstab eingeformt werden.
Alternativ hierzu kann zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zugankers ein zunächst trockener, aus Verstärkungsfasern gebildeter Flechtschlauch mit flüssigem thermoplastischen Bindemittel getränkt und unter Bildung des Ankerstabs ausgehärtet werden. Das Gewinde und gegebenenfalls eine Mehrzahl Querrillen werden zweckmäßig vor dem Aushärten des Bindemittels in den Ankerstab und in dessen Flechtschlauch eingeformt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, das Gewinde und gegebenenfalls eine Mehrzahl Querrillen nach dem Aushärten des Bindemittels unter Einwirkung von Druck und Wärme in den Ankerstab einzuformen.
Zur Verankerung des erfindungsgemäßen Zugankers in einer 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 stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit der Bohrungswand verbunden werden. Bei Verwendung eines quellfähigen Bindemittels kann der Ankerstab hierbei zusätzlich unter Aufquellen des Bindemittels lokal aufgeheizt werden. Zum lokalen Aufheizen des Ankerstabs wird vorzugsweise eine Heizlanze in die Bohrung des Ankerstabs eingeführt und elektrisch aufgeheizt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
eine Seitenansicht eines Zugankers, bestehend aus Ankerstab, Druckplatte und Druckmutter in Explosionsdarstellung;
Fig. 2
einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Ankerstab in längs geschnittener Darstellung.
Der in der Zeichnung dargestellte Zuganker ist als Klebeanker 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 Stollenbau. Er umfaßt einen Ankerstab 10, in welchen ein kopfseitiges Gewinde 12 eingeformt ist, eine Druckplatte 14 und eine auf das Gewinde 12 des Ankerstabs aufschraubbare Druckmutter 16. Der Ankerstab weist einen zentralen Hohlraum 22 auf und ist an seiner Spitze durch eine abnehmbare Kappe 24 geschützt. Er besteht aus einem Polymer-Composite mit vorwiegend aus Kohlenstoffasern (Hybride) bestehenden Verstärkungsfasern 18, die in eine Bindemittelmatrix 20 aus thermoplastischem Kunststoff eingebettet sind. Die endlosen Verstärkungsfasern 18 werden zweckmäßig im Koextrusionsverfahren oder im Pultrusionsverfahren in die Bindemittelmatrix 20 eingebettet und nach dem Aushärten in die gewünschte Ankerstablänge abgelängt. Die thermoplastische Bindemittelmatrix 20 sorgt dafür, daß der Ankerstab bei Gebrauchstemperatur 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 vorgefertigten Ankerstab 10 eingebracht werden. Dadurch tritt im Bereich des Gewindes keine unzulässige Materialschwächung auf. Weiter können über die ganze Länge im Abstand voneinander angeordnete Querrillen 26 in den Ankerstab 10 eingepreßt werden, die eine bessere Verankerung im injizierten Material gewährleisten.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 bezieht sich auf einen Zuganker für Bauzwecke, insbesondere einen als Klebeanker ausgebildeten Felsanker. 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 abstützbaren Druckmutter 16, die auf das Gewinde 12 des Ankerstabs aufgeschraubt wird. Um eine besonders effiziente Herstellbarkeit ohne Einbuße an Zugfestigkeit zu gewährleisten, 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.

Claims (15)

  1. Zuganker für Bauzwecke, insbesondere Felsanker, mit einem aus einem Polymer-Composite bestehenden, an seinem kopfseitigen Ende ein Gewinde (12) aufweisenden Ankerstab zur Aufnahme einer auf das Gewinde des Ankerstabs aufschraubbaren, vorzugsweise gegen eine Druckplatte (14) abstützbaren, Druckmutter, wobei das Polymer-Composite eine Vielzahl von sich über die gesamte Länge des Ankerstabs (10) erstreckenden, in eine Bindemittelmatrix (20) aus thermoplastischem Kunststoff eingebetteten und im Gewindebereich am Kopfseitigen Ende des zugankers ununterbrochenen Verstärkungsfasern (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasumwandlungspunkt des thermoplastischen Kunststoffs mindestens 100 °C und der Fließübergangspunkt mindestens 160 °C beträgt.
  2. Zuganker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde (12) vorzugsweise unter Einwirkung von Druck und Wärme spanlos in den Ankerstab (10) eingeformt ist.
  3. Zuganker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern (18) Kohlenstoffasern enthalten oder als solche ausgebildet sind.
  4. Zuganker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern Hybride bestehend aus Kohlenstoffasern, Glasfasern und/oder
  5. Zuganker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern (18) einen mit dem thermoplastischen Kunststoff der Bindemittelmatrix (20) getränkten Flechtschlauch bilden.
  6. Zuganker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Flechtschlauch rein axial ausgerichtete Kohlenstoffasern oder Kohlenstoffaserstränge angeordnet sind.
  7. Zuganker nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Flechtschlauch eine Vielzahl Glasfasern oder Glasfaserstränge überwiegend in Umfangsrichtung eingeflochten sind.
  8. Zuganker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerstab (10) in axialem Abstand voneinander angeordnete Querrillen (26) aufweist.
  9. Zuganker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittelmatrix (20) ein thermoplastischer Kunststoff aus der Gruppe Polyolefine, Vinylpolymere, Polyamide, Polyester, Polyacetale, Polycarbonate, Polyurethane und Ionomere vorgesehen ist.
  10. Zuganker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastische Bindemittelmatrix (20) unter Einwirkung von Wärme quellfähig ist.
  11. Zuganker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerstab (10) als Hohlstab, vorzugsweise mit einem zentralen, durchgehenden Hohlraum (22) ausgebildet ist.
  12. Verwendung des Zugankers nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verankerung in einer Fels- oder Bauwerksbohrung, wobei der in die Bohrung eingesetzte Ankerstab (10) über einen zentralen Hohlraum (22) lokal über den Fließumwandlungspunkt des thermoplastischen Kunststoffs seiner Bindemittelmatrix (20) aufgeheizt und stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit der Bohrungswand verbunden wird.
  13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerstab (10) unter Aufquellen seiner Bindemittelmatrix lokal aufgeheizt wird.
  14. Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum lokalen Aufheizen des Ankerstabs (10) eine Heizlanze in den Hohlraum (22) des Ankerstabs (10) eingeführt und dort vorzugsweise elektrisch aufgeheizt wird.
  15. Verwendung des Zugankers nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verankerung in einer Fels- oder Bauwerksbohrung, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Felsoder Bauwerksbohrung eingesetzte Ankerstab (10) über einen zentralen, durch den Ankerstab längs hindurchgehenden Hohlraum (22) so mit flüssigem Zement oder Kunststoff beaufschlagt wird, daß dieser aus der Spitze des Ankerstabs austritt und den Zwischenraum zwischen Ankerstab und Bohrungswand zumindest teilweise ausfüllt und dort aushärtet.
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