DE3907348A1

DE3907348A1 - Biegesteifes verbindungselement und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3907348A1
Application number: DE19893907348
Authority: DE
Inventors: Karl Friese; Manfred Pruchhorst; Klaus-Dieter Schimmelpfennig; Dieter Siegmund; Hagen-Michael Traenka
Original assignee: Hoesch Stahl AG
Current assignee: Hoesch Stahl AG
Priority date: 1989-03-08
Filing date: 1989-03-08
Publication date: 1990-09-20
Also published as: CA2010574A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für Stahlspund bohlen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Sollen Fangedämme erstellt werden, so werden aus flachgestreckten Stahlspundbohlen Kreiszellen aufgebaut. Dieser Aufbau kann an Land oder im Wasser durchgeführt werden. Die Kreis- und Hauptzellen müssen aber durch sogenannte Nebenzellen unter einander verbunden werden. Die Wände der Nebenzellen werden Zwickelwände genannt. Um nun zwei Kreiszellen miteinander zu verbinden, müssen in den Kreiszellen jeweils ein oder mehrere Abzweigbohlen in T-Form oder Y-Form für den Anschluß der Zwickelwände vorgesehen werden.

Verwendet werden heute auf dem Markt drei Arten von Abzwei gen

- Befestigung des Abzweiges durch Nieten und Schrauben
- Befestigung des Abzweiges durch Schweißen
- Zusammenbau eines Abzweiges aus drei Halbbohlen

Bei der Niettechnik wird eine herkömliche Stahlspundbohle mit einer halben abgewinkelten Stahlspundbohle durch einzuziehen de Nieten oder Schrauben verbunden. Eine sehr arbeitsinten sive und kostenträchtige Fertigungsart, für die heute nur noch wenige Fachleute zur Verfügung stehen.

Die Herstellung eines Abzweiges durch das Verbinden einer normalen Stahlspundbohle und einer halben mittels Schweißen, ist ebenfalls kostenintensiv und bedarf besonderer Ferti gungstechniken.

Die dritte Art Abzweige herzustellen, besteht in einer Schweißkonstruktion aus drei Halbbohlen, die mit ihren Enden an einem Rundstab angeschweißt werden.

Mit der OS 33 07 052 ist eine Möglichkeit bekannt geworden, Abzweige an Spundwänden dadurch auszuführen, daß das Spund wandschloß symmetrisch zu seiner Achse ausgebildet ist. Diese Ausführungsart läßt sich aber nicht an Kreiszellen mit Zwickelwänden anwenden.

Die US-Patentschrift 36 88 508 offenbart Verbindungselemen te für Stahlspundbohlen, welche nach dem Strangpreßverfahren hergestellt sind. Diese Verbindungselemente sind jedoch nur für ein Spundbohlenprofil ausgelegt und sind darüber hinaus nicht rammsteif.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein biegesteifes Verbindungselement mit hohem Widerstandsmoment bei geringst möglichem Materialeinsatz und optimalem Kräfteverlauf und kostengünstiger Fertigung herzustellen, welches rammsteif ist und bei gleichem Gewicht eine größere Länge erreichen kann.

Die Lösung der Aufgabe wird durch ein besonderes Fertigungs verfahren kostengünstig erreicht. Mit dem Strangpreßverfahren kann in einem Arbeitsgang ein Verbindungselement hergestellt werden, welches durch die Einführung einer oder mehrerer Boh rungen oder Ausnehmungen im Profilquerschnitt ein größeres Widerstandsmoment erhält und dadurch rammsteif wird. Gleich zeitig wird das Gewicht des Verbindungselementes reduziert, was eine Senkung der Transportkosten bzw. bei gleichem Ein satzmaterial eine größere Länge des Verbindungselementes be deutet. Ein Hohlelement erfüllt in diesem Fall alle gewünsch ten Anforderungen. Dadurch ist im gesamten Profil ein optima ler Faserverlauf mit enormer Festigkeitssteigerung zu erzie len.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die Profilgebung des Ver bindungselementes so aufgebaut, daß das Verbindungselement im Querschnitt betrachtet, in allen Bereichen eine annähernd gleichstarke Wandstärke aufweist. Dieses wird dadurch er reicht, daß sich in der Mitte des Profiles eine oder mehrere durchgehende Bohrungen oder Ausnehmungen befinden. Hierdurch wird erreicht, daß die angreifenden Zugkräfte in den Schloß abschnitten sich auf die Randzonen des Profiles verteilen. Gleichzeitig wird diese Kostruktionsart das Aufkommen von zu sätzlichen Momenten im Profil nahezu unterdrücken.

Bei den bisher bekannten T-Verbindungselementen greifen z. B. die Kräfte an den gegenüberliegenden Seiten und in der Mitte an. Dieses hat zur Folge, daß bei nicht ausgewogenem Kräfte verhältnis mit entsprechenden Hebelarmen, im Verbindungsele ment ein Moment entsteht. Dieses zusätzliche Moment ist für das statische Gleichgewicht der Kreiszelle nicht gerade för derlich. Es können dadurch in der Eckverbindung Torsionskräf te auftreten.

Die vorliegende Erfindung eleminiert diese auftretenden Mo mente durch die in der Formgebung begründete Kraftumlenkung im Verbindungselement. Dadurch, daß sich in der Mitte eine oder mehrere Bohrungen befinden, teilen sich z. B. die in der Mitte durch den Abzweig angreifenden Kräfte auf und werden gleichzeitig über die Randzonen abgeführt. Dieses hat zur Folge, daß die Hebelarme zu den beiden seitlich angreifenden Kräften in der T-Verbindung gegen Null gehen. Ein Moment wird durch diese Konstruktionsart aufgehoben. Der Kräfteverlauf kann als optimal angesehen werden.

Die im Verbindungselement vorhandene Bohrung oder Ausnehmung steigert das Widerstandsmoment bei gleichzeitiger Gewichts verringerung.

Darüber hinaus können nicht nur wie vorbeschrieben T-Verbin dungselemente hergestellt werden, sondern auch die Y-Form mit Abzweige unter jedem nur möglichen Winkel α.

Aufgrund des Fertigungsverfahrens ist es auch möglich, Ver bindungselemente herzustellen, die es zulassen, unterschied liche Stahlspundbohlenprofile miteinander zu verbinden. In diesem Falle sind die drei Schloßabschnitte entsprechend den verwendeten Profiltypen ausgebildet, um einen sicheren Sitz der Stahlspundbohlen zu gewährleisten.

Um das Gewicht der Verbindungselemente zu reduzieren, wird bei gleichzeitiger Erhöhung des Widerstandsmomentes das Ver bindungselement als Hohlelement ausgebildet.

Fertigungstechnisch ist dieses Hohlprofil bei den ent sprechenden Längenausdehnungen nicht ganz einfach zu handha ben. Eine kostengünstige Fertigungsmethode ist das Strang preßverfahren. Das Strangpressen von Stahl mit Glasschmierung nach Sejournet bietet dem Konstrukteur die wirtschaftliche Lösung. Mit konventionellen Umformungsverfahren wie Schmie den, Walzen, Gießen etc. lassen sich nicht die gleichen Er gebnisse erzielen.

Als Vormaterial wird ein gewalzter oder geschmiedeter Rund block eingesetzt. Zum besseren Materialfluß werden die Blöcke an der Stirnseite angefast. Gleichzeitig wird der Block mit einer durchgehenden Bohrung versehen. Die Einsatzlänge des Blockes wird durch das Metergewicht des herzustellenden Pro files und der Profillänge bestimmt. Gepreßt wird das Verbin dungselement in einer liegenden hydraulischen Presse. Die Blöcke werden in einem Drehofen auf ca. 1200°C erwärmt. Auf dem Weg vom Ofen zur Presse überrollt der Block eine Glas pulverschicht und überzieht sich dabei mit einem dünnen Glas film. Dieser Glasfilm verhindert die Oxydation des Blockes auf dem Weg zur Presse und dient gleichzeitig während des Preßvorganges als Isolationsschicht zwischen Rezipientenin nenwandung und dem glühenden Stahlblock.

Eine automatische Hebevorrichtung bringt den Block dann auf die Höhe des Blockaufnehmers. Der Preßstempel drückt den Block in die zylinderische Öffnung des Rezipienten, der an seiner Austrittsöffnung durch das formgebende Werkzeug ver schlossen ist. Vor die formgebende Matrize wird bei Beginn des Pressens eine etwa 10 mm starke Glasscheibe gelegt, die die Schmier- und Schutzfunktion des Werkzeuges übernimmt. Bei der vorliegenden Erfindung befindet sich in der Mitte der Matrize ein Dorn, welcher verfahrbar ist. Der Dorn wird für die Pressung des Hohlprofils benötigt.

Nach dem Einschieben des Rohlinges in den Rezipienten wird der Block zunächst bis zum vollen Duchmesser des Rezipienten aufgestaucht. Bei einem weiteren Druckanstieg durch den Preß stempel tritt das Material durch die Matrizenöffnung in einer der Matrizenöffnung entsprechenden Profilform aus. Durch das Hohlprofil muß in Schüben gepreßt werden, weil der Dorn für die Bohrung verfahren werden muß.

Das Material eines Blockes läßt sich nicht restlos auspres sen, deshalb wird der Preßrest nach Zurückfahren des Rezi pienten durch einen Sägeschnitt vom Profilstab getrennt. Das am Preßrest verbleibende Profilstück drückt beim Verfahren des Rezipienten den Profilstab aus der Matrize. Das freige wordene Verbindungselement läuft über Rollen ab.

Bedingt durch die hohe Verformungstemperatur und die bizarre Querschnittsform ist der Verzug der Preßstäbe während des Ab kühlprozesses z. T. erheblich. Auf einer Streckbank, deren Kopfenden gegenläufig drehbar sind, kann die Verdrallung be seitigt werden.

Die Zeichnungen zeigen schematisch einige Beispiele von Hohl verbindungselementen, welche nach dem vorbeschriebenen Ver fahren hergestellt werden können.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Hohlprofil im Querschnitt in T-Form mit drei ein greifenden Spundbohlen.

Fig. 2 Ein Hohlprofil im Querschnitt in Y-Form

Fig. 3 Ein Hohlprofil im Querschnitt mit zentrischer Bohrung

Fig. 4 Ein Hohlprofil im Querschnitt mit unterschiedlichen Schloßabschnitten

Fig. 5 Ein Hohlprofil im Querschnitt mit mehreren Ausnehmun gen

Fig. 6 Ein Hohlprofil im Querschnitt mit unregelmäßiger Aus nehmung.

Das Verbindungselement in Fig. 1 ist in seinem Querschnitt T-förmig ausgebildet, wobei die T-Form sich auf die einzu schiebenden Spundwände bezieht. Die Stahlspundbohlen (1.1, 1.2, 1.3) sind in ihren Schloßabschnitten mit den Schlössern des Verbindungselementes (2) lose in der Art verbunden, daß z. B. der Finger (9.1) der Stahlspundbohle (1.1) in die Hin terschneidung (11) greift und den Daumen (6.1) des Schloßab schnittes des Verbindungselementes (2) umfaßt. Der Daumen (8.1) der Spundbohle liegt in dem Freiraum (10.1) des Schloß abschnittes des Verbindungselementes (2) und wird umschlungen von dem Finger (5.1) des Verbindungselementes (2).

Diese vorbeschriebene Verbindungsart wird durch Ineinander stecken der Spundbohle (1.1) und des Verbindungselementes (2) erreicht. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und dem rauhen Einsatzgebiet des Anmeldungsgegenstandes, ist die Verbindung nicht unmittelbar formschlüssig. Es besteht deshalb zwischen dem Daumen (6.1) des Verbindungselementes (2) und der Spund bohle (1.1) ein eingeschlossener Freiraum (13.1). Analog dazu zwischen dem Daumen (8.1) der Spundbohle (1.1) und dem Ver bindungselement (2). Der vorbeschriebenen Verbindung genau gegenüber befindet sich die gleiche Verbindung mit einer wei teren Spundbohle (1.3) aus der Kreiszelle. Den für die Zwickelwand nötigen Anschluß stellt die Spundbohle (1.2) dar. Sie greift in der bereits vorbeschriebenen Art in das Verbin dungselement (2) ein.

Das Verbindungselement (2) hat in seinem Querschnitt einen T- förmigen Verlauf. Die einzelnen Schloßabschnitte bestehen aus einem gekrümmten Finger (5.1) mit einem ausgebuchteten Frei raum (10.1) und einem anschließenden Daumen (6.1), der aus zwei Vorsprüngen besteht.

Zwischen dem Daumen (6.1) und dem um 90° versetzt dazu ste henden Schloßabschnitt für den Anschluß der Zwickelwand (1.2) ist ein Freiraum (11), der die Umschlingung durch den Finger (9.1) der Spundbohle (1.1) des Daumens (6.1) ermöglicht. Um weitere 90° zu der Spundbohle (1.2) versetzt, greift die Spundbohle (1.3) in den entsprechenden Schloßabschnitt ein.

Bei der Gestaltung des Verbindungselementes (2) ist eine an nähernd gleiche Wandstärke des Profiles angestrebt worden. Aus diesem Grunde befindet sich gegenüber dem Schloßabschnitt für den Anschluß der Spundbohle (1.2) eine Einbuchtung (7). Der Konturenverlauf des Verbindungselementes (2) weist einen abgerundeten und verschliffenen Verlauf auf. Zentrisch im Verbindungselement (2) befindet sich eine durchlaufende Boh rung (3). Durch diese Bohrung wird das Widerstandsmoment des Verbindungselementes (2) stark heraufgesetzt. Da Flachprofile nur sehr geringe Widerstandsmomente besitzen, entstehen im Betriebszustand an den Knotenpunkten in der Regel Überbean spruchungen. Die Überbeanspruchungen, hervorgerufen durch zu sätzliche Momente, werden in dem vorliegenden Verbindungs element (2) nicht auftreten, da die Krafteinleitung ohne Ver satz erfolgt. Wie in der Fig. 1 angedeutet, verläuft der Kraftlinienfluß (4) über die Randzonen des Verbindungselemen tes (2) und verkürzt dadurch die Hebelarme bei gleichzeitiger Kraftaufteilung. Würde das Verbindungselement (2) nicht die Bohrung (3) in der Mitte haben, so würden sich die angreifen den Kräfte in der Mitte des Verbindungselementes (2) treffen. Hinzu kämen die relativ großen Hebelarme, welche ein zusätz liches Moment entstehen lassen würden.

Die Fig. 2 gibt ein Hohlverbindungselement in Y-Form wieder. Zu den in der Zentrallinie (14) angreifenden Kräften greift über die Zentrallinie (15), des Abzweiges (18) unter einem Winkel α, die dritte Stahlspundbohle in den Schloßabschnitt (19) ein. Der Winkel α kann entsprechend den Forderungen ver änderbar sein. Die in der Mitte des Querschnittes befindli che Ausnehmung (16) wird dem gewählten Winkel so angepaßt, daß die Krafteinleitung gleichmäßig, über die annähernd gleichstarken Materialstege, in die Randzonen verlagert wird.

Bei einem Y-Verbindungselement (Fig. 3), an welchem die drei in Eingriff stehenden Stahlspundbohlen (1.1, 1.2, 1.3) in einem Winkel von 120° zueinander stehen, ist es am zweck mäßigsten, eine kreisrunde Bohrung (17) zentrisch im Profil einzubringen.

Das in Fig. 4 dargestellte Verbindungselement weist unter schiedliche Schloßabschnitte auf. Die Schloßabschnitte (20.1) und (20.2) stehen um 90° versetzt zueinander und sind gleich ausgebildet, d. h. es greifen Stahlspundbohlen (1.2) und 1.3) gleichen Profiles in die Schloßabschnitte ein. Im Schloßabschnitt (21) aber befindet sich eine Stahlspundbohle (1.4) mit einem anderen Profil. Auch bei diesem Verbindungs element ist durch die Bohrung (3) sichergestellt, daß der Kräfteverlauf über die Randzonen durchgeführt wird.

Mit der Erfindung lassen sich für alle heute auf dem Markt befindlichen warmgewalzten Profile und Kaltprofile kostengün stige rammsteife Hohlverbindungselemente herstellen. In einem immer stärker umworbenen Markt spielen auch heute in zuneh mendem Maße steigende Transportkosten eine entscheidende Rol le. Die Erfindung leistet hier einen entscheidenden Beitrag bei einer gleichzeitigen Qualitätssteigerung (höheres Wider standsmoment). Darüber hinaus wird mit dem Fertigungsverfah ren ein optimaler Faserverlauf im Material erreicht. Ferner können aufgrund des geringeren Gewichtes größere Längen von Verbindungselementen hergestellt werden.

Bezugszeichenverzeichnis

1.1 Stahlspundbohle
1.2 Stahlspundbohle
1.3 Stahlspundbohle
1.4 Stahlspundbohle
2 Verbindungselement
3 Bohrung
4 Kraftlinienverlauf
5.1 Finger
5.2 Finger
5.3 Finger
6.1 Daumen
6.2 Daumen
6.3 Daumen
7 Einbuchtung
8.1 Daumen der Spundbohle
8.2 Daumen der Spundbohle
8.3 Daumen der Spundbohle
9.1 Finger der Spundbohle
9.2 Finger der Spundbohle
9.3 Finger der Spundbohle
10.1 Freiraum im Schloßabschnitt des Verbindungselementes
10.2 Freiraum im Schloßabschnitt des Verbindungselementes
10.3 Freiraum im Schloßabschnitt des Verbindungselementes
11 Hinterschneidung außerhalb des Schlosses
12 Hinterschneidung außerhalb des Schlosses
13.1 Freiraum im Schloßabschnitt der Spundbohle
13.2 Freiraum im Schloßabschnitt der Spundbohle
13.3 Freiraum im Schloßabschnitt der Spundbohle
14 Zentrallinie
15 Zentrallinie im Abzweig
16 Ausnehmung
17 Bohrung
18 Abzweig
19 Schloßabschnitt
20.1 Schloßabschnitt
20.2 Schloßabschnitt
21 Schloßabschnitt

Claims

1. Biegesteifes Verbindungselement im Strangpreßverfahren hergestellt, insbesondere für Stahlspundbohlen, mit An schlußmöglichkeit für drei Stahlspundbohlen zur Verbindung von Abzweigen oder zur Verbindung von Hauptzellen unter einander oder mit Zwickelwänden, wobei die Hauptzellen Kreiszellen als auch Flachzellen sein können und die Ver bindung der Stahlspundbohlen mit dem Verbindungselement über drei angeformte Schloßabschnitte geschieht, dadurch gekennzeichnet, daß das biegesteife Verbindungselement (2) ein Hohlprofil mit sowohl zentrischer, in der gesamten Längsrichtung verlaufenden Bohrung (3), als auch den äußeren Konturen angepaßter Ausnehmung (16) versehen ist, wobei das Einsatzmaterial für die Strangpressung eine in Längsrichtung des Blockes verlaufende kreisrunde Bohrung hat, und die angreifenden Zugkräfte, der angeschlossenen Stahlspundbohlen (1.1, 1.2, 1.3), über die Randzonen (4) des Verbindungselementes (2) abgeleitet werden und durch den Kraftlinienverlauf (4) im Verbindungselement die ent stehenden Zusatzmomente gegen Null gehen.

2. Biegesteifes Verbindungselement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß über den Querschnitt des Verbindungs elementes gesehen, eine annähernd gleich dicke Wandstärke zu den Konturen vorhanden ist.

3. Biegesteifes Verbindungselement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in dem Profil mehrere Bohrungen (3) oder Ausnehmungen (16) sind.

4. Biegesteifes Verbindungselement nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Schloßabschnitte auf der gesamten Länge des Verbindungselementes (2) verlaufen.

5. Biegesteifes Verbindungselement nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Schloßabschnitte des Verbindungselementes (2) in T-Form, Y-Form oder in einem beliebigen Winkel zueinander ausgebildet sind.

6. Biegesteifes Verbindungselement nach den Ansprüchen 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß Stahlspundbohlen mit unter schiedlichen Profilen und Schlössern (20.1, 20.2, 21) über das Verbindungselement miteinander verbunden werden kön nen.