DE4202249C2 - Koaxial verschraubte Stabverbindung für Fachwerkkonstruktionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine koaxial verschraubte Stabverbindung für ebene und räumliche Fachwerkkonstruktionen, deren Gurt- und Diagonalstäbe aus Rundrohren bestehen.

Fachwerkstäbe mit Rechteck- oder Rund-Hohlquerschnitt haben gegen­ über offenen Profilen oder Vollstäben den Vorteil einer wesentlich höheren Knickstabilität (=Druckbelastbarkeit) bei gleicher Masse, wobei das Rundrohr den günstigsten Verhältniswert liefert. Da die Oberfläche des Rundrohres keine Kanten und Hohlkehlen aufweist, sind optimale Voraussetzungen für eine dauerhafte Korrosionsschutz­ beschichtung gegeben. Die koaxial verschraubte Verbindung bietet die Möglichkeit, daß ein Fachwerk zerstörungsfrei in seine Einzel­ teile zerlegt werden kann.

Nachteilig ist der erheblich größere Aufwand für die Rohrstabver­ bindung an den Knotenstellen, wobei allgemein schweißtechnische Verfahren angewendet werden.

Nach dem Stand der Technik sind bereits Konstruktionen bekannt von der Art, daß die Rohrstäbe an einem Knotenkern mittels stabaxialer Schraubelemente miteinander verbunden werden.

Als nächstliegend werden folgende Druckschriften betrachtet: DE-PS 8 74 657, DE-PS 25 55 960, DE-PS 34 20 521, DE-OS 38 30 738, DE-PS 40 19 243. Daraus sind folgende Merkmale zu berücksichtigen: Der massive Knotenkern, in der Regel annähernd kugelförmig, ent­ hält in beliebigen Ebenen Gewindebohrungen, deren Achsen sich in Knotenmitte schneiden, die Rohrstäbe sind stirnseitig mit einem ke­ gelstumpfförmigen Verschlußstück versehen, in welchem eine Kopf­ schraube drehbar und axial um einen begrenzten Weg verschiebbar eingesetzt ist, wobei der Zuglastanschlag des Schraubenkopfes an der Innenseite des Verschlußstückes nach außen wirksam ist; zwischen der äußeren Stirnfläche des Stabverschlußstückes und dem Knotenkern ist konzentrisch über dem Schraubenschaft eine Treib- oder Druckmuffe angeordnet und zwischen dieser Treibmuffe und dem Schraubenschaft ist eine formschlüssige Drehmitnahme vorgesehen. Durch Drehen der Treibmuffe wird der Gewindeschaft der Kopfschrau­ be in eine Gewindebohrung des Knotenkerns eingedreht und dabei wird die Treibmuffe stirnseitig zwischen Rohrstab und Knotenkern ein­ gespannt. In der Druckschrift DE-OS 34 29 228 ist eine Ausführung beschrieben, bei welcher anstelle einer Kopfschraube ein Spannbol­ zen mit Links- und Rechtsgewinde verwendet wird; hierbei sind al­ lerdings Bedenken bezüglich einer einwandfreien Montierbarkeit ent­ gegenzuhalten.

Aus dem betrachteten Stand der Technik sind folgende Mängel erkenn­ bar:

Beim Anziehen der Spannschraube addieren sich die durch die Spann­ kraft verursachten Reibmomente von zwei Stirnflächen der Treib­ muffe und zusätzlich von der Kopfauflage und vom Gewinde der Schraube; durch die Einleitung des Anziehdrehmoments am Schrauben­ schaft wird die zulässige Vorspannkraft der Schraube vermindert;
die konstruktiv ausführbare Dehnungslänge des Schraubenschaftes ist bezüglich der Gewährleistung einer Verspannungssicherheit zu klein; mit Ausnahme der Konstruktion nach Druckschrift DE-OS 34 29 228 sind die Spannschrauben nicht auswechselbar;
die Möglichkeiten für eine Korrektur der Stablänge sind zu sehr begrenzt;
ungünstige Formübergänge am stirnseitigen Verschlußstück vermin­ dern die vom Stabquerschnitt her mögliche Stabbelastbarkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mittel zur koaxialen Stabverspannung so auszubilden, daß die am Stand der Technik fest­ gestellten Mängel beseitigt werden.

Die Aufgabe wird durch eine Stabverbindung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Dabei sind als Stabkopf ein kegelförmig nach außen gerichteter Druckdeckel und ein kegelförmig nach innen ge­ richteter Zugdeckel vorgesehen, welche mit der zylindrischen Rohr­ wand formschlüssig verspannt sind, wobei jeder Deckel eine zur Stabachse konzentrische Gewindebohrung gleicher Steigungsrichtung, jedoch diejenige im Druckdeckel mit größerem Durchmesser, auf­ weist. Der Spannbolzen weist an jedem Ende einen Gewindekopf mit je gleicher Steigung und gleicher Steigungsrichtung auf, wobei der innere Gewindekopf mit der Gewindebohrung des Zugdeckels in Eingriff steht. Die Druckmuffe weist am äußeren Ende ein Dreh­ mitnehmerprofil und am inneren Ende ein Gewindeprofil auf, welches mit der Gewindebohrung des Druckdeckels in Eingriff steht, wobei die Druckmuffe unabhängig vom Spannbolzen drehbar und mittels des Gewindeprofiles formschlüssig geführt gegenüber dem Stab axial verstellbar ist.

Mit den Mitteln der Erfindung ist gegenüber dem Stand der Technik folgender technische Fortschritt zu erreichen:

• a) Rohrstab und Kopfdeckel können den jeweiligen Beanspruchungen angepaßt aus dem geeignetsten Werkstoff hergestellt werden, auch wenn diese nicht miteinander verschweißbar sind, z. B. St/Al oder St/GG oder Al/GG;
• b) das Anziehdrehmoment wird wesentlich reduziert;
• c) der Gewindebolzen kann mit langem Dehnschaft ausgeführt werden, er wird beim Verspannen nicht durch ein Drehmoment beansprucht, be­ zogen auf gleichen Gewindedurchmesser und gleichen Werkstoff kann deshalb eine größere Vorspannkraft aufgebracht werden;
• d) die Kopfdeckel und alle Verspannungselemente sind auswechselbar, der Rohrhohlraum ist bei abgenommenen Kopfdeckeln zerstörungsfrei zugänglich;
• e) der Formübergang von der Rohrwand zu den Kopfdeckeln kann so ge­ staltet werden, daß die für ein glattes Rohr zulässigen Spannungs­ werte ausnutzbar sind;
• f) die Stablänge kann in einfacher Weise korrigiert werden;
• g) es sind auch Fachwerkstäbe mit größerem Rohrdurchmesser - Rohr/Spannbolzen ca. 10/1 - ausführbar, es können also auch größere Feldlängen ausgeführt werden, wodurch die Fertigungskosten reduziert werden und, wenn angestrebt, eine besondere optische Wir­ kung des Fachwerks erreicht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anschließend unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen erklärt:

Fig. 1: Das Zeichnungsbeispiel ist auf den Fall bezogen, daß der Rohrstab in ein vorgegebenes Fachwerkfeld mit dem Knotenabstand L eingesetzt wird. Der Knotenkern 1 ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, etwa kugelförmig, die Anzahl der Gewindebohrungen 1a und deren Winkellage zueinander richtet sich nach der Geometrie des Fachwerks, die Bohrungsachsen sollen sich jedoch im Knotenmittel­ punkt schneiden, konzentrisch zu jedem Bohrungsrand ist eine kreis­ ringförmige Stirndruckfläche 16 angeflacht. Vom Rohrstab 2 ist nur das Rohrende mit dem Stabkopf dargestellt, welcher aus Druck­ deckel 5 mit Druckmuffe 16 und Zugdeckel 8 mit Spannbolzen 10 besteht. Die formschlüssig spielfreie Verbindung zwischen Druck­ deckel 5, Rohr 2 und Zugdeckel 8 wird durch das Gewindeprofil 4 hergestellt. Da für den Rohrstab allgemein eine Zug-Druck-Beanspru­ chung zugrundegelegt wird, ist es vorteilhaft, zur Reduzierung der Längsspannungen insbesondere am inneren Auslauf des Gewindeein­ griffes die Rohrwand z. B. durch Anstauchen des Rohrendes 3 zu ver­ stärken. Als weitere Ausbildung ist vorgesehen, an das Rohrende einen Rohrstummel mit größerer Wanddicke stumpf anzuschweißen, z. B. mittels Abbrennstumpfschweißung oder Reibschweißung. Die axiale Position des Zugdeckels 8 wird zweckmäßig durch einen Drahtring 19, in anderer Weise durch Radialstifte oder Einkerbungen am Rohrge­ winde 4 festgelegt. Der Druckdeckel 5 wird bis zum Anschlagbund 7 eingedreht. Zwischen den Gewindekränzen von Zug- und Druckdeckel muß auch im verspannten Zustand ein Verspannungsspalt freibleiben, damit der Kraftfluß zwischen den beiden Gewindekränzen über die Rohrwand verläuft. Dieser Verspannungsspalt wird durch Einsetzen eines axial-elastischen Ringelements 20 gewährleistet. Die Druck­ muffe 16 steht mit ihrem Gewindeprofil 17 mit der Gewindebohrung 6 des Druckdeckels 5 in Eingriff. Eine Axial-Anschlagfläche am Drehmitnehmerkopf 18 begrenzt die Einschraubtiefe. Die Länge des Gewindeprofiles 17 ist festgelegt nach dem gewünschten Längen­ korrekturmaß. Der innere Gewindekopf 11 des Spannbolzens 10 steht mit der Gewindebohrung 9 des Zugdeckels 8 in Eingriff; durch den An­ schlagbund 13 wird ein Durchdrehen des Bolzens nach innen verhin­ dert; die Länge des Gewindekopfes 11 ist wie bei der Druckmuffe 16 festgelegt nach dem gewünschten Längenkorrekturmaß. Über den Zen­ trierbund 14 wird der Spannbolzenschaft radial in der glatten Durchgangsbohrung der Druckmuffe 16 geführt. Zwischen Druckmuffe 16 und Spannbolzen 10 besteht keine Bewegungskoppelung.

In Zeichnung Fig. 1 sind Druckmuffe 16 und Spannbolzen 10 in ihrer innersten Position dargestellt, was der kleinsten Stablänge ent­ spricht. In dieser Position muß der Drehmitnehmerkopf 18 so weit aus der Nabe des Druckdeckels 5 vorstehen, daß noch ein Drehwerk­ zeug angesetzt werden kann; die Flachkerben 15 am äußeren Gewinde­ kopf des Spannbolzens müssen dann noch außerhalb der äußersten Druckmuffenkante liegen. Mit dem Maß t ist die für die sichere Übertragung der maximalen Zugkraft notwendige Gewinde-Einschraub­ tiefe festgelegt.

Die Montage erfolgt in der Weise: Mit einem kleinen, an den Flach­ kerben 15 angesetzten Drehwerkzeug wird der Spannbolzen 10 in die Gewindebohrung 1a des Knotenkerns 1 eingedreht. Mit einem anderen kleinen Drehwerkzeug wird dann die Druckmuffe 16 bis zum Anschlag 1b am Knotenkern aus dem Druckdeckel 5 herausgedreht und mit einfacher Handkraft angezogen. Das endgültige Festspannen erfolgt zweckmäßig nach Drehwinkel mittels eines Maschinenwerkzeuges, wo­ bei das Gegenhaltemoment über die Sacklöcher 21 am Druckdeckel abgestützt wird.

In Fig. 2 ist der Stabkopf mit den Spannelementen in fertig mon­ tierter Position dargestellt.

Das Maß wk von Stabstirnkante bis Knotenkernanschlag sollte mit Rücksicht auf die Übertragung von Querbelastungen möglichst klein gehalten werden, wodurch aber das ansetzen eines Drehwerkzeuges erschwert wird.

In Fig. 3 ist die Stabkopfposition nach Fig. 2 mit einem geeigne­ ten Drehwerkzeug dargestellt. Im Drehmitnehmerkopf 18 der Druck­ muffe sind wenigstens zwei Längsnuten vorgesehen; das Drehwerk­ zeug besteht aus einer längsgeteilten Kupplungshülse 25, welche mit den Längskeilen 26 in diese Längsnuten eingerastet und radial zusammengeklemmt wird. Die Kupplungshülse ist axial verschiebbar und über den Ringsteg 27 radial auf der Druckmuffe zentriert. Der Umfang der Hülsenscheibe 28 weist ein feingeteiltes Zahnprofil 29 auf, in welches ein Gabelschlüssel mit passendem Gegenprofil axial eingerastet wird. Das Maß m gibt die kleinstmögliche Gabelöff­ nung an.

Ein anderes Spannverfahren besteht darin, daß zunächst Spannbolzen 10 und Druckmuffe 16 mit geringer Vorlast in die Position nach Fig. 2 gebracht werden. Mittels einer hydraulisch oder mechanisch angetriebenen Spreizzange, welche am Druckdeckel 5 und am Knoten­ kern 1 angesetzt wird, wird der Spannbolzen mit der vorgegebenen Last gespannt. Die dabei entstehende Längenänderung wird durch Nachdrehen der Druckmuffe ausgeglichen.

Als Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, in der Stirn­ kehle zwischen Rohr 2 und Anschlagbund 7 und im Ringhohlraum 22 zwischen der Gewindenabe des Druckdeckels und der Druckmuffe je ein Dichtungselement einzulegen.

In Fig. 4 ist eine Weiterbildung der Erfindung dargestellt, welche für Rohrstäbe mit relativ kleiner Wanddicke - Größenordnung s/d ca. 1/50 - zweckmäßig ist. Dabei wird der Zugdeckel 8 zuerst in das Rohr eingesetzt und festgeklemmt, dann wird der Rohrrand um ca. 45° bis 90° nach innen umgebördelt. Durch Einkerbungen wird der Zugdeckel gegen Verdrehen und Verschieben nach innen gesichert. Mittels des Gewindeprofiles 24 wird der Druckdeckel 5 gegen den Bördelrand 2a geschraubt. Durch die Spannkraft von Spannbolzen und Druckmuffe wird die Klemmwirkung am Bördelrand verstärkt.

Fig. 5a und Fig. 5b zeigen weitere Ausbildungen auf der Basis der erfindungsgemäßen Merkmale:

Nach Fig. 5a wird der Zugdeckel 8 mit seinem Deckelkranz durch eine Stumpf-, V- oder Kehlschweißnaht mit dem Rohr 2 kraftschlüs­ sig verbunden, wobei dann eine geeignete Werkstoffkombination vor­ ausgesetzt wird. Mittels des Gewindeprofiles 24 wird der Druck­ deckel 5 gegen den Zugdeckel 8 gespannt.

Nach Fig. 5b ist der Druckdeckel 5 an seinem Deckelkranz durch eine Umfangsschweißnaht mit dem Rohr 2 zusammengefügt. Der Zug­ deckel 8 wird vor dem Verschweißen formschlüssig mit Sicherung gegen Verschieben und Verdrehen in den Druckdeckel eingesetzt. Insbesondere für Rohrstäbe mit kleinerem Durchmesser wird vorge­ schlagen, nach dem Konzept Fig. 5b Druck- und Zugdeckel einteilig herzustellen (nicht gezeichnet).

Als weitere Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Druckdeckel 5, Fig. 1, ohne den Anschlagbund 7 und das Innengewin­ de 4 am Rohrende verlängert ausgeführt wird. Die Montage erfolgt in der Weise, daß nach dem Eindrehen des Spannbolzens 10 in den Knotenkern 1 zunächst der Druckdeckel 5 um das Einschraubmaß t bis zum Anschlag der Druckmuffe 16 am Knotenkern 1 aus dem Rohr herausgedreht wird. Das Verspannen erfolgt dann nur durch Drehen der Druckmuffe 16. Bei diesem Verfahren kann die Druckmuffe 5 kür­ zer und das Gewindeprofil 17 mit kleinerem Durchmesser ausgeführt werden.

Eine Stabverbindung gemäß den Erfindungsmerkmalen ist auch für Rohrstäbe aus Faserverbundwerkstoff anwendbar. Wie in Fig. 6 gezeigt wird vorgeschlagen, am Rohrende einen zur Rohrinnenseite schlank auslaufenden Metallring 30 in den Faserverbund einzulaminieren. Dieser Metallring weist an seiner Innenseite ein Gewindeprofil 31 auf, an welchem Druck- und Zugdeckel 5, 8 gemäß der Grundausfüh­ rung nach Fig. 1 eingesetzt werden.

In Fig. 7 ist eine Ausgestaltung der Erfindung bezüglich der Anwen­ dung dargestellt: Dabei wird vorgeschlagen, daß an den Endknoten eines mit den Mitteln der Erfindung zusammengesetzten Fachwerk­ verbandes der Knotenkern als Gelenklager 35 - entweder Gabel oder Lasche - ausgebildet ist.

Claims (8)

1. Koaxial verschraubte Stabverbindung für ebene und räumliche Fachwerkkonstruktionen, deren Gurt- und Diagonalstäbe aus Rund­ rohren bestehen, wobei im Schnittpunkt der Stabachsen ein Knoten­ kern mit Gewindebohrungen vorgesehen ist, wobei als Mittel zur Schraubverspannung ein stabaxialer Spannbolzen oder eine Kopf­ schraube und konzentrisch dazu zwischen Stabstirnfläche und Kno­ tenkern eine Druck- oder Treibmuffe vorgesehen sind und wobei als Stabkopf ein kegelstumpfförmiges Verschlußstück mit formschlüssi­ gem Eingriff zum Spannbolzen oder zur Kopfschraube eingesetzt ist, gekennzeichnet durch die Merkmale

• a) als Stabkopf eines Rohrstabes (2) sind ein kegelförmig nach außen gerichteter Druckdeckel(5) und ein kegelförmig nach innen gerichteter Zugdeckel (8) vorgesehen, welche beide mit der zylind­ rischen Rohrwand formschlüssig in Eingriff und im montagefertigen Zustand spielfrei mit dieser Rohrwand verspannt sind, jeder Deckel weist eine zur Stabachse konzentrische Gewindebohrung auf, wobei die Gewindebohrung(6) im Druckdeckel (5) einen größeren Durchmes­ ser hat als die Gewindebohrung (9) im Zugdeckel (8),
• b) der Spannbolzen (10) weist an jedem Ende einen Gewindekopf (11, 12) auf mit je gleicher Gewindesteigung und gleicher Stei­ gungsrichtung, wobei der innere Gewindekopf (11) mit der Gewinde­ bohrung (9) des Zugdeckels (8) in Eingriff steht,
• c) die Druckmuffe (16) weist eine glatte zylindrische Bohrung und außenseitig an einem Ende ein Gewindeprofil (17) und am an­ deren Ende (18) ein Drehmitnehmerprofil auf, die Druckmuffe steht über das Gewindeprofil (17) mit der Gewindebohrung (6) des Druck­ deckels (5) in Eingriff und ist unabhängig vom Spannbolzen (10) drehbar und mittels des Gewindeprofils (17) formschlüssig geführt und gegenüber dem Stab axial verstellbar.

2. Koaxial verschraubte Stabverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Stabende eine Wandverdickung (3) angestaucht ist und für den formschlüssigen Eingriff von Druck­ deckel (5) und Zugdeckel (8) an der Rohrinnenseite ein Gewindepro­ fil (4) vorgesehen ist, daß der Druckdeckel gegen die Rohrstirn­ seite einen Anschlagbund (7) aufweist und daß zur Gewährleistung einer spielfreien Verspannung zwischen den Gewindekränzen von Druck- und Zugdeckel ein Verspannungsspalt vorgesehen ist.

3. Koaxial verschraubte Stabverbindung nach Anspruch 1 und 2, wobei eine Wandverdickung am Rohrende vorgesehen ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Rohrende ein Rohrstummel mit größerer Wanddicke stumpf an den Rohrstab angeschweißt ist.

4. Koaxial verschraubte Stabverbindung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannbolzen (10) einen Anschlag­ bund (13) aufweist, womit der axiale Verstellweg nach innen be­ grenzt wird, daß der Spannbolzen im Bereich innerhalb der Druck­ muffe einen Zentrierbund (14) aufweist zum Zweck einer exakten Ra­ dialstützung und daß am äußeren Gewindekopf des Spannbolzens zwei Flachkerben (15) vorgesehen sind zum Ansetzen eines Drehwerkzeuges und zur Markierung der Gewinde-Einschraubtiefe (t).

5. Koaxial verschraubte Stabverbindung nach Anspruch 1 bis 4, insbesondere für Rohrstäbe mit einer relativ zum Rohrdurchmesser sehr kleinen Wanddicke, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrende nach innen eingebördelt ist und daß dieser Bördelrand (2a) zwischen den Axial-Anschlagflächen von Druckdeckel (5) und Zugdeckel (8) eingespannt ist, wobei diese Deckel über ein Gewindeprofil (24) miteinander in Eingriff stehen.

6. Koaxial verschraubte Stabverbindung nach Anspruch 1 bis 4, wobei in bekannter Weise ein kegelstumpfförmiges Verschlußstück kraftschlüssig mit dem Rohr verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß nur einer der beiden Deckel (5, 8) mit dem Rohr (2) kraftschlüs­ sig verbunden ist und der andere Deckel formschlüssig und spiel­ frei mit dem erstgenannten Deckel verbunden ist.

7. Koaxial verschraubte Stabverbindung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Knotenkern am Ende eines Fach­ werkverbandes oder am Ende eines Einzelstabes als Gelenklager (35) ausgebildet ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer koaxial verschraubten Stab­ verbindung mit den Merkmalen des Anspruches 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zunächst der Spannbolzen (10) mittels eines an den Flachkerben (15) ansetzbaren Drehwerkzeuges bis zur vorgege­ benen Einschraubtiefe (t) in die Gewindebohrung (1a) des Knoten­ kernes (1) eingedreht und danach die Druckmuffe (16) bis zum An­ schlag am Knotenkern (1) aus dem Druckdeckel (5) herausgedreht wird, wobei zur Erzeugung der erforderlichen Spannkraft bei ruhendem Spannbolzen ausschließlich das Drehen der Druckmuffe (16) vorgesehen ist.