Teil 6 Verbindungen und Anschlüsse

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1 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 1 Teil 6 Verbindungen und Anschlüsse 6. Verbindungen und Anschlüsse 6.1 Einige einleitende Gedanken Bauteile aus Stahl können spätestens dann, wenn sie den Stahlbaubetrieb verlassen quasi nicht mehr verändert werden. Der Aufwand rechtfertigt den Nutzen in der Regel nicht. Andererseits können sie nur so groß vorgefertigt werden, dass ein Transport ohne nennenswerte Schwierigkeiten durchgeführt werden kann. Folgerichtig hat sich im Lauf der Entwicklung eine Technologie lösbarer Verbindungen entwickelt (Bild 6-1). Ausgehend von den Nieten, deren Herstellung im Abschnitt 1 angedeutet wurde, entstanden dabei u.a. gleitfeste und vorgespannte Verbindungen, deren Montage erfahrenes und geschultes Personal erfordert. In der aktuellen Normengeneration werden später 5 Kategorien für Schraubenverbindungen definiert. Bild 6-1: Komplexe Verbindung an der Skihalle Wittenburg Nun ist es unmöglich, Stahlbauteile so zu konstruieren, dass ausschließlich lösbare Verbindungen eingesetzt werden können. Allein aus ästhetischen Gründen wirken fließende Übergänge zwischen Bauteilen oft filigraner und schlanker. Wenn es zudem gelingt, die Verbindung von Querschnitten durch eine vom Material her nahezu gleichwertige Naht auszuführen, dann steht dem Konstruieren größerer Bauteile kaum noch etwas im Weg. So entwickelte sich neben den lösbaren die festen, unlösbaren (eigentlich schwer lösbaren) Verbindungen im Stahlbau, die im Wesentlichen mit dem Begriff Schweißen verknüpft sind (Bild 6-2). Inzwischen werden viele verschiedene Schweißverfahren unterschieden und für das Schweißen selbst gibt es eigene Ingenieure, die Schweißfachingenieure, die sich ausschließlich mit der Ausführung und Qualitätssicherung von Schweißnähten befassen. In Deutschland gibt es über 600 Normen, die sich mit dem Schweißen, den Schweißverfahren und der Herstellungsüberwachung befassen.

2 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 2 Bild 6-2: Schweißnaht an einem Fundamenteinbauteil für Windenergieanlagen Aus der Spezifik beider Standardverbindungen im Stahlbau (Schrauben und Schweißen) ergibt sich im Zusammenhang mit einfachen wirtschaftlichen Betrachtungen: Die Herstellung unlösbarer Schweißverbindungen erfolgt unter Ausschluss ungünstiger Einflüsse aus Witterung und zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen i.v. mit höheren Ausführungsqualitäten überwiegend in der Vorfertigung. Die Herstellung lösbarer Schraubverbindungen erfolgt unter erheblicher Zeitersparnis wetterunabhängig und mit wenig Aufwand überwiegend auf der Baustelle. Diese Trennung ist von jedem Konstrukteur anzustreben und selbstredend nicht immer zu 100% umsetzbar. Für die Berechnung von Schweißnähten und Schraubverbindungen können die Verfahren der technischen Biegelehre (Abschnitt 3) und der plastischen Querschnittsberechnung (Abschnitt 4) nicht kritiklos übernommen werden. Infolge der Bohrungen für die Schrauben werden die Bauteile geschwächt und Spannungen nehmen einen anderen Verlauf an, als nach den genannten Verfahren berechnet werden kann. Die Lage der Schweißnähte liegt nicht zwangsläufig ideal parallel oder ideal senkrecht zu einer berechneten Spannung im Bauteil. Hinzu kommt, dass in den meisten Fällen lösbare und unlösbare Verbindungen zu einem Anschluss kombiniert werden müssen. Die Berechnung der Spannungen und Beanspruchungen für die Verbindungsmittel wird dadurch sehr komplex. Die Berechnungsverfahren müssen daher oft durch Versuche untersetzt werden, um deren zutreffende Näherung zur Realität nachzuweisen. Ferner haben sich sowohl bei den lösbaren als auch bei den nicht lösbaren Verbindungen hochtechnisierte Verfahren zur Herstellung und Überwachung entwickelt, was durchaus auch Einflüsse auf die Berechnungsalgorithmen der Verbindungen und Anschlüsse hat. Deutlich wird das auch, wenn man allein die Vielzahl der

3 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 3 Normen in Betracht zieht, die von EN in Bezug genommen werden. Es sind 53 weitere Normen. Zum Verständnis der folgenden Ausführungen werden zunächst die Begriffsdefinitionen aus der EN angegeben, der Grundnorm, in der die Berechnungsverfahren festgeschrieben sind. Ferner sei erneut auf die Anlage 1 zum Script hingewiesen, in der die Formelzeichen der EN komplett enthalten und erklärt sind. 6.2 Grundbegriffe und Definitionen nach EN Eine Grundkomponente eines Anschlusses ist ein Teil des Anschlusses, der zu einem oder mehreren Kennwerten des Anschlusses beiträgt. Typische Grundkomponenten sind Schrauben, Schweißnähte, Schubfelder, Stirnplatten usw. Ein konstruktiver Punkt, an dem sich zwei oder mehr Bauteile treffen, wird als Verbindung bezeichnet. Eine Verbindung ist somit eine bestimmte Anordnung von Grundkomponenten, welche Kennwerte für die Verbindung, insbesondere für den Nachweis der sicheren Übertragung der Schnittgrößen liefern. Ein Bauteil, welches an einem Anschluss mit anderen Bauteilen verbunden ist, heißt angeschlossenes Bauteil. Als Anschluss wird der gesamte Bereich bezeichnet, in dem zwei oder mehrere Bauteile miteinander verbunden sind. Für die Berechnung und Bemessung besteht der Anschluss aus der Anordnung aller Grundkomponenten, aus denen sich die Kennwerte für den Nachweis der sicheren Übertragung der Schnittgrößen ergeben. Ein Anschluss kann also mehrere Verbindungen enthalten. Die Gestaltung eines Anschlusses oder mehrerer Anschlüsse, an dem die Achsen von zwei oder mehreren angeschlossenen Bauteilen zusammenlaufen, heißt Anschlusskonfiguration. Der Winkel Φ, um den sich der Anschluss bei vorgegebenem Moment ohne Versagen verformen kann, wird als Rotationskapazität bezeichnet. Das Moment, welches in einem Anschluss den Drehwinkel Φ = 1 erzeugt, heißt Rotationssteifigkeit. Kennwerte eines Anschlusses sind die auf die Schnittgrößen der angeschlossenen Bauteile bezogenen Tragfähigkeiten, die Rotationssteifigkeit und die Rotationskapazität des Anschlusses. Die Begriffe werden mit den Bildern 6-3 bis 6-5 vertieft. Dabei zeigt das Bild 6-3 den Unterschied zwischen Verbindung und Grundkomponenten und deren Lage am Beispiel einer üblichen einseitigen und einer üblichen zweiseitigen Anschlusskonfiguration. Bild 6-4 stellt einige herkömmliche Anschlusskonfigurationen bezüglich der starken Achsen dar und im Bild 6-5 sind zwei Beispiele für Anschlusskonfigurationen um die schwache Achse gezeigt.

4 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x Bild 6-3: Einseitige und zweiseitige Anschlusskonfiguration nach EN = schubbeanspruchtes Stegfeld 2 = Verbindung 3 = Grundkomponenten (Schrauben, Stirnblech, Schweißnaht) Bild 6-4: Beispiele für Anschlusskonfigurationen in der starken Achse 1 = einseitiger Träger-Stützen-Anschluss 2 = zweiseitiger Träger-Stützen-Anschluss 3 = Trägerstoß (biegesteif oder Gelenk) 4 = Stützenstoß 5 = Stützenfuß bzw. Fußplatte 6 = Trägerauflager M b1, Ed M b2, Ed M b1, Ed M b2, Ed Bild 6-5: mögliche Anschlusskonfigurationen für die schwache Achse, Voraussetzung sind ausgeglichene Biegemomente

5 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 5 Weitere Definitionen zu einigen häufig vorkommenden Anschlüssen, die insbesondere bei Fachwerkbindern oft gebraucht werden, sind in den Darstellungen 6-6 bis 6-8 analog zur EN angegeben. Dabei geht es vornehmlich um die Frage, der Beeinflussung der Lage des gemeinsamen Schnittpunktes der Schwerachsen der angeschlossenen Bauteile und die Erfassung möglicher Exzentrizitäten in den Anschlüssen. Müssen mehrere ausfachende Diagonalen und Vertikalen eines Fachwerkes am Ober- oder Untergurt angeschlossen werden, kann es entweder überlappend oder mit einem Spalt geschehen. Die dafür notwendigen geometrischen Beschreibungen gehen auch aus den Bildern hervor. g g p q Bild 6-6: Bezeichnungen bei Spalt (links und Mitte) und Überlappung (rechts, im Falle der Überlappung sind die Kraftrichtungen der Ausfachungen zu beachten (g = Abstand der theoretischen Wurzelpunkte) Zugstäbe sind wegen der unvermeidlichen Schwächung der Kraftübertragung an den Verbindungen und Anschlüssen stets DIREKT an die Gurtstäbe anzuschließen, also mit der geringst möglichen Anzahl an Verbindungen. Bezugsachsender Verbindungsmittel Bild 6-7: Definition der Bezugsachsen für die Berechnung von Exzentrizitäten, das Verfahren wird später gezeigt, es sind : rot fett : Schwerachsen der Schraubengruppen rot normal : Schwerachsen der Schrauben blau : Schwerachsen der Profile (Winkel oder T-Profile) Exzentrische Anschlüsse entstehen, wenn die Schwerachsen der Schraubengruppe nicht mit den Schwerachsen der Profile zusammenfallen. Wann auf den Ansatz der Exzentrizität

6 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 6 verzichtet werden darf, regelt EN im Punkt (wird noch erläutert). t i h i N i b i t 0 N 0,Ed Θ i N p, Ed h 0 M 0,Ed M 0,Ed b 0 a) b j h j h i t j t i N j N i b i t 0 N 0,Ed Θ j Θ i N p, Ed h 0 M 0,Ed M 0,Ed b 0 b) M 0,Ed b 0 N 0,Ed Θ i Θ j N p, Ed h 0 M 0,Ed N j b j t 0 t i N i t j h j b i h i c) Bild 6-8: Bezeichnungen für Anschlüsse von Fachwerkstäben an die Gurte nach EN Mit diesen und den Bezeichnungen lt. Anlage 1 zu Script wird nachfolgend gearbeitet.

7 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x Annahmen für die Tragwerksplanung von Verbindungen Grundsätzlich setzt die Anwendung von EN voraus, dass alle Grundkomponenten von Verbindungen und Anschlüssen nach den (53) Bezugsnormen hergestellt, geliefert, überwacht und ausgeführt werden, die in Abschnitt 1.2 der Norm aufgeführt sind. Ferner sind die weiteren Teile der Reihe EN i einzuhalten. Hervorgehoben wird die Grundnorm EN Es gelten die Teilsicherheitsbeiwerte nach Tabelle 6-1. Anwendung für Formelzeichen Größe nach Beanspruchbarkeiten von Bauteilen und Querschnitten EN Nat. Anhang γ M0, γ M1, γ M2 s. EN bzw. Script, Tabelle 3-2, S. 142 Schrauben Niete, Bolzen γ M2 1,25 1,25 Beachte: Für S420 und S460 gilt Schweißnähte nur mit abweichenden Lochleibung von Blechen Korrelationsbeiwerten Gleitfestigkeit im GZT, γ M3 1,25 1,25 Kategorie C Gleitfestigkeit im GZG, γ M3, ser 1,10 1,10 Kategorie B Lochleibung bei γ M4 1,00 1,00 Injektionsschrauben Knotenanschlüsse in γ M5 1,00 1,00 Fachwerken mit Hohlprofilen Bolzen im GZG γ M6,ser 1,00 1,00 Vorspannung hochfester γ M7 1,10 1,10 Schrauben Beton γ c Siehe EN 1992 Tabelle 6-1: Teilsicherheitsbeiwerte für den Nachweis von Verbindungen Für Stahl der Sorte S420 und S460 werden keine gesonderten Teilsicherheitsbeiwerte γ M2 angegeben. In diesem Zusammenhang sei bereits hier darauf verwiesen, dass beim Nachweis von Schweißnähten der Korrelationsbeiwert β w anzupassen ist. Der Wert wird wie folgt festgelegt: β w γ M2 β w, S420 = 0,88 statt 1,00 für Stahl S420 β w, S460 = 0,85 statt 1,00 für Stahl S460 (6-1) Für Injektionsschrauben ist stets ein bauaufsichtlicher Verwendungsnachweis erforderlich. Das können europäische technische Zulassungen (z.b. EOTA), allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen (DIBT) und Zustimmungen im Einzelfall (Oberste Bauaufsichtsbehörden

8 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 8 der Bundesländer) sein. Werden Verbindungen und die Verbindungsmittel durch häufig wechselnde Lasten zusätzlich auf Ermüdung beansprucht, ist zusätzlich EN zu beachten. Die Ermittlung der Schnittgrößen, die von den Bauteilen an den Verbindungen und Anschlüssen übertragen werden müssen, sind nach den Grundsätzen aus EN zu bestimmen. Die Beanspruchbarkeiten von Anschlüssen ergeben sich aus den Beanspruchbarkeiten der einzelnen Grundkomponenten. Dafür können linear-elastische Verfahren oder elastisch-plastische Berechnungsverfahren eingesetzt werden. Sind in einer Verbindung zur Aufnahme von Scherbeanspruchungen Verbindungsmittel unterschiedlicher Steifigkeit vorhanden, dann ist dem Verbindungsmittel mit der höchsten Steifigkeit die gesamte Belastung zuzuordnen. Lediglich für den Nachweis des Gleitwiderstandes in Hybridverbindungen gibt es eine Ausnahmeregel. Folgende Annahmen für die Nachweise von Verbindungen sollen die wirklichkeitsnahe Verteilung der Schnittgrößen auf die Verbindungsmittel sicher stellen, was bei Anwendung der EN der Fall ist: a) Bei der Aufteilung der Schnittgrößen auf die Grundkomponenten sind die Gleichgewichtsbedingungen zu beachten. b) Jede Grundkomponente kann die zugewiesenen Anteile der Schnittgrößen allein übertragen. c) Verformungen, die durch diese Verteilung im Grundmaterial entstehen, überschreiten nicht das Verformungsvermögen von Grundmaterial und Verbindungsmittel (Schrauben und Schweißnähte) d) Die Verteilung der Schnittgrößen muss entsprechend der vorhandenen Steifigkeiten im Anschluss erfolgen. e) Bei elastisch-plastischen Berechnungen müssen die angenommenen Verformungen physikalisch möglich sein. Das gilt insbesondere für größere Starrkörperverdrehungen in der Tragwerksebene (Rotationskapazität). f) Das verwendete Berechnungsmodell widerspricht nicht bekannten Versuchsergebnissen (z.b. nach EN 1990). Besondere Regelungen gibt es weiterhin für schubbeanspruchte Anschlüsse mit Stoßbelastung, bei Schwingungen oder Lastumkehr. Darf in den Verbindungen kein Schlupf auftreten, sind gleitfeste Verbindungen, Passbolzen, Niete oder Schweißnähte zu verwenden. Schrauben sind hier gegen unbeabsichtigtes Lösen zu sichern. Injektionsschrauben sind ebenfalls zugelassen.

9 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x Schraubverbindungen Grundlagen und Darstellung von Schraubenverbindungen auf Zeichnungen Eine vernünftige Kontrolle der Ausführung ist nur möglich, wenn die Überwachenden vor Ort Ausführungs- und Werkpläne von Stahlbaukonstruktionen lesen und verstehen können. Das Beherrschen der Symbolik für Schrauben und Bohrungen, wie in Tabelle 6-2 dargestellt, ist ein Teil davon. Maßgebend dafür ist die DIN ISO Die Tabelle ist in ähnlicher Form auch in üblichen Tabellenwerken zu finden. Zeichenebene senkrecht zur Achse parallel zur Achse Bedeutung des Symbols Schraube in der Werkstatt eingebaut Nicht gesenkt Senkung auf der Vorderseite Rückseite Mutterseite freigestellt Mutterseite rechts Senkung rechts Schraube auf der Baustelle eingebaut Schraube auf der Baustelle gebohrt und eingebaut Bei den Sinnbildern für Löcher entfallen die Punkte in der Mitte bzw. in der Ansicht parallel zur Achse die senkrechten Striche. Der Lochdurchmesser in [mm] ist dann zusätzlich anzugeben. Bezeichnung einer Schraube bzw. einer Schraubengruppe: 4 M20 * Länge [mm] DIN... (zusätzlich erforderlich: Art der Verbindung, Festigkeitsklasse der Schrauben, Maße) Tabelle 6-2: zur Darstellung von Schrauben und Bohrungen auf Plänen inklusive der Anweisungen für die Herstellung Eine ebenso wichtige Komponente für die Berechnung von Schraubenverbindungen ist die Konfiguration innerhalb eines Anschlusses. Das heißt die Definition von Abständen der Schrauben untereinander und der Abstände zu den (belasteten) Rändern der angeschlossenen Bauteile. Daraus ergeben sich wesentliche Größen zur Berechnung der Beanspruchbarkeit der Verbindungen. Nachfolgend gilt, dass der Buchstabe p einen Abstand von Verbindungsmitteln untereinander und der Buchstabe e einen Abstand zwischen dem außen gelegenen Verbindungsmittel und dem (belasteten) Rand angibt. Die In-

10 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 10 dizierung erfolgt so, dass der Index 1 einen Wert parallel zur Kraftrichtung und der Index 2 einen Wert senkrecht zur Kraftrichtung beschreibt (Bild 6-9). p 1 e 1 e 2 E Ed p 2 Bild 6-9: Definition der Abstände von Schrauben und Nieten (Standard) Bei versetzter Anordnung von Verbindungsmitteln, oft ein probates Mittel, die Tragfähigkeit auf engem Raum signifikant zu erhöhen, zeigt das Bild Dabei sind die Grenzwerte für p 2 und den Wert L zu beachten, wobei sich L aus der einfachen Gleichung L = p p 1 2 p p 2 2 (6-2) berechnet, wie aus den Bildern 6-9 und 6-10 herzuleiten ist, wenn ein Versatz um 0,5 p 1 erfolgt. p 2 p 2 E Ed L L 2,4 d 0 p 2 1,2 d 0 Bild 6-10: Mindestabstände der Verbindungsmittel bei versetzter Anordnung In Abhängigkeit von der Kraftrichtung (Zug oder Druck) sind weitere Randbedingungen zu erfüllen (Bild 6-11). Im Bild 6-11 ist zwischen Druck (oben) und Zug (unten) als Einwirkung auf die Verbindung zu unterscheiden. Bei Druck wird eine gleichmäßige Anordnung empfohlen, um lokales Ausweichen zu vermeiden. Bei Zug kann in den inneren Reihen ein größerer Abstand p 1 in Kraftrichtung angesetzt werden. Maßgebend ist der Wert der kleineren Blechdicke t der miteinander verbundenen Bauteile. Im Vergleich der Darstellungen 6-10 und 6-11 wird deutlich, dass über d 0, den Lochdurchmesser, ein Minimum für die Abstände definiert wird und über die minimale Blechdicke t ein Größtwert. Gemeinsam mit der aufzunehmenden Kraft und der daraus resultierenden Anzahl nötiger Verbindungsmittel wird später die konkrete Anschlusskonfiguratiion zu bestimmen sein.

11 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 11 Druck p 1 p 2 E Ed p 1 14 t p mm p 2 14 t p mm Zug p 1,0 E Ed p 1,0 14 t p 1,0 200 mm p 1,i 28 t p 1,i 400 mm p 1,i p 1,0 = äußere Reihe p 1, i = innere Reihe Bild 6-11: Randbedingungen für die Abstände p 1 und p 2 bei versetzter Anordnung von Verbindungsmitteln e 4 d 0 0,5 d 0 e 3 Bild 6-12: Randabstände bei Langlöchern Bei Langlöchern werden die Abstände auf die Lochachse (Längsachse) und den Mittelpunkt des seitlichen Halbkreises, der den kleineren Randabstand hat, bezogen. Es gilt Bild Die Berechnungen und Grenzwerte der vorstehenden Darstellungen sind in der Tabelle 6-4 (umseitig) nochmals zusammengefasst. Dabei werden Schraubenabstände möglichst klein gewählt, aber auf volle 5 mm aufgerundet. Lochdurchmesser d 0 und Schaftdurchmesser d der Verbindungsmittel sind aufeinander abzustimmen. Die Differenz der Durchmesser wird als Lochspiel bezeichnet und in EN geregelt und hier als Tabelle 6-3 (Nennlochspiel d ) wiedergegeben. d = d 0 d (6-3) Lochart Schraubengröße M12 M16 M20 M22 M24 M27 M30 M36 normal 1 mm 2 mm 3 mm Hinweise Bei Türmen und Masten ist das Nennlochspiel um 0,5 mm zu reduzieren. Das Lochspiel bei Schrauben M12 kann bei beschichteten Verbindungsmitteln um die Dicke der Beschichtung vergrößert werden. Tabelle 6-3: Nennlochspiel in Abhängigkeit vom Schraubendurchmesser

12 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 12 Passschrauben müssen unter hohen Aufwand stramm eingepasst werden. Es gilt d 0,3 mm. Das ist teuer. Daher werden Passschrauben seltener eingesetzt. Rand- und Lochabstände gem. Bilder 6-9 bis 6-12 Minimum Maximum Konstruktionen aus Stahlsorten nach EN (außer EN ) Stahl ist korrosionsgefährdet Stahl ist nicht korrosionsgefährdet Konstruktionen aus Stahlsorten nach EN ungeschützter Stahl e 1 1,2 d 0 4 t + 40 mm Maximum aus 8 t / 125 mm e 2 1,2 d 0 4 t + 40 mm Maximum aus 8 t / 125 mm e 3 1,5 d 0 e 4 1,5 d 0 p 1 1,2 d 0 Minimum aus 14 t / 200 mm p 1,0 p 1,i Minimum aus 14 t / 200 mm Minimum aus 28 t / 400 mm p 2 2,4 d 0 Minimum aus 14 t / 200 mm Minimum aus 14 t / 200 mm Minimum aus 14 t / 200 mm Minimum aus 14 t / 175 mm Minimum aus 14 t / 175 mm Tabelle 6-4: zur Berechnung der Schraubenabstände in den obigen Skizzen Schraubenwerkstoffe nach EN Maßgebend für die Anordnung von Nieten und Schrauben in einer Konfiguration ist die Tragfähigkeit des einzelnen Verbindungsmittels, die zu berechnen ist. Dazu tragen in erster Linie die Materialien für die Schrauben bei. EN beschreibt neben den in Deutschland üblichen Schraubenmaterialien (Tabelle 6-5) mit den Werkstoffen 4.8, 5.8 und 6.8 drei weitere Materialien, deren Verwendung durch den Nationalen Anhang in Deutschland ausgeschlossen wird. Schraubenwerkstoffe werden durch zwei Ziffern benannt, die durch einen Punkt getrennt werden ( a.b ). Dabei gilt: a = 0,01 f ub b = 10 f yb f ub mit f ub = Zugfestigkeit der Schraube mit f yb = Streckgrenze (6-4) In der Tabelle 5 ist neben den Grundwerten f yb (Streckgrenze) und f ub (Zugfestigkeit) auch angegeben, für welchen Stahl (Grundmaterial der angeschlossenen Bauteile) der je-

13 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 13 weilige Schraubenwerkstoff geeignet ist. Bezeichnung Streckgrenze f yb N mm 2 Zugfestigkeit N mm 2 f ub Eignung für die Verbindung von Bauteilen aus: S S S235 / S S235 / S355 Tabelle 6-5: Schraubenwerkstoffe, Grundparameter und Eignung Versagensarten der Einzelschraube Für die Einteilung der Verbindungen in die 5 Kategorien (A bis E) nach EN sind zum besseren Verständnis die Versagensarten von Schraubverbindungen zu beschreiben. Dafür werden die Definitionen und Bezeichnungen aus Bild 6-13 und 6-14 verwendet. s w d s d Kopf Schaft Gewinde l s l k 8 Bild 6-13: Bezeichnungen und Fotos zu Schrauben Für die Schrauben gibt es eine Vielzahl von Produkt- und Überwachungsnormen. Sie sind in der EN detailliert aufgeführt. Eine wichtige Dimensionierungsgröße für planmäßig kontrolliert vorgespannte Verbindungen wird später die Klemmlänge l k sein, also die Dicke des zwischen Schraubenkopf und Mutter eingeklemmten Grundmaterials. Im Bild 6-13 (Skizze unten links) ist die Klemmlänge nach DIN 7990 für rohe Schrauben 4.6 und 5.6 angegeben. Das Foto daneben zeigt einen vorgespannten Flanschstoß einer Windenergieanlage mit Schrauben Hier sind nach EN stets 2 Unterlegschei-

14 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 14 ben anzuordnen, also auch auf der Kopfseite der Schraube. Im Bild zu erkennen ist die auf dem oberen Flansch notierte planmäßige Vorspannkraft für diese Schrauben. Das Gewinde der Schrauben im Stahlbau wird stets nach DIN 13-1 (ISO-Gewinde, metrisches Gewinde) ausgeführt. Zur Unterscheidung zwischen normalfesten Schrauben (4.6 und 5.6) und hochfesten Schrauben (8.8 und 10.9) haben letztere bei gleichem Schaftdurchmesser (Nenndurchmesser) eine größere Schlüsselweite. Ungeachtet dessen müssen Schrauben eine Herstellerkennzeichnung aufweisen, bei vorgespannten Verbindungen auch die Muttern (Bild 6-14). Bild 6-14: Beispiele für Bezeichnungen auf Schrauben und verschiedene Schlüsselweiten bei normalfesten und hochfesten Schrauben Bei rohen Schrauben gilt in der Regel d =d s gemäß Bild Für Passschrauben ist dagegen d =d 1 1mm. Eine weitere Unterscheidung gibt es im Nennlochspiel, wie bereits mit Tabelle 6-3 beschrieben. a) Versagen auf Abscheren Werden zwei Bleche miteinander durch eine senkrecht zu den Blechebenen geführte Schraube verbunden, können diese Bleche auf die Schraube wie eine Schere wirken. Daher kommt der Begriff Abscheren (Bild 6-15). Für die Bestimmung der Widerstandsgröße sind folglich der Schaftquerschnitt und die aufnehmbare Schubspannung des Materials heranzuziehen. Sind bei Anschlüssen von mehr als zwei Blechen mehrere Scherflächen vorhanden, kann der Scherwiderstand in jeder Scherfläche aktiviert werden. Bild 6-15: Schraubenversagen auf Abscheren

15 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 15 b) Versagen auf Lochleibung In Abhängigkeit vom Verhältnis der Werkstoffparameter von Schraube und Grundmaterial sowie dem Verhältnis von Schraubendurchmesser und Dicke der zu verbindenden Einzelbleche kann es vor einem Versagen der Schraube auf Abscheren auch zu einem Versagen der Schraube bzw. des Grundmaterials an den Kontaktflächen, also den Leibungsflächen kommen. Das Versagen kann durch Aufweitung des Loches bzw. Riss im Grundmaterial entstehen. Wegen des erheblichen Unterschiedes zwischen dem tatsächlichen Verlauf der Spannungen in der Lochleibung und den idealisierten Spannungen in den Berechnungsansätzen werden die Grenzwerte für Schrauben stets durch eine Vielzahl von Versuchen untersetzt. Das gilt analog auch für die anderen Arten des Versagens. Bild 6-16: Versagen der Verbindung auf Lochleibung, tatsächlicher Verlauf der Spannungen, idealisierter Verlauf der Spannungen, Versagen durch Lochaufweitung oder Riss zwischen den Löchern c) Verlust der Gleitfestigkeit Die Kontaktflächen der verbundenen Bauteile aktivieren eine Reibungskraft, wenn sie versuchen, sich gegeneinander zu verschieben. Diese Reibungskraft ist um so größer, je stärker die verbundenen Bleche senkrecht zur Kraftrichtung zusammen gepresst werden. Eine Vorspannung hilft also, die Gleitfestigkeit zu vergrößern. Bild 6-17: Verlust der Gleitfestigkeit

16 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 16 Ebenso vergrößert eine angemessene Vorbehandlung der Gleitflächen (aufrauhen, harzen, etc.) den Reibungsbeiwert. Geht der Kontakt zwischen den Reibflächen verloren oder wird durch eine zu hohe äußere Last die Reibung überwunden, versagt die Verbindung. Zunächst tritt also ein entsprechender Schlupf auf und in der Folge wird der Widerstand der Lochleibung bzw. gegen Abscheren nicht ausreichen. Es gibt Verbindungen, die nur im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit gleitfest sein müssen (Kategorie B). Bei diesen Verbindungen müssen im Grenzzustand der Tragfähigkeit natürlich Lochleibung und Abscheren allein den ausreichenden Widerstand der Verbindung realisieren. d) Überschreiten der Zugfestigkeit Bild 6-18 zeigt eine Verbindung der Kategorie E mit planmäßig kontrollierter Vorspannung. Grün eingetragene Kräfte symbolisieren die Vorspannung, die gemäß der linken Teildarstellung den Schaft beanspruchen. Zusätzlich tritt eine äußere Zugkraft auf (rot eingetragene Kräfte). Bei zu großer Beanspruchbarkeit im Schraubenschaft bzw. bei Versagen des Kontakts im Bereich Mutter-Gewinde kann die Schraube auf Zug versagen. Im Versagensfall sind im Schaft keine Zugkräfte und im Grundmaterial keine Druckkräfte mehr vorhanden. Bild 6-18: Überschreiten der Zugfestigkeit der Schraube e) Durchstanzen des Grundmaterials Bild 6-19: Durchstanzen des Grundmaterials bei Zugbeanspruchung der Schraubenverbindung Ein dem Durchstanzen im Stahlbetonbau durchaus ähnliches Phänomen kann bei Schraubenverbindungen auftreten, wenn die Schraube entsprechend fester ist, als das Grundma-

17 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner x + 17 terial der verbundenen Teile. Überwunden wird praktisch die Querkrafttragfähigkeit des Bleches senkrecht zur Blechebene. Der sogenannte Stanzkegel wird durch die in aller Regel vorgespannte Schraube an das zweite Blech gepresst. Die Zugkraft überwindet die Schubspannung im Bereich der Mantelfläche des Kegels. Durchstanzen kann konstruktiv gut und sicher durch dickere Unterlegscheiben größeren Durchmessers vermieden werden. Dadurch vergrößert sich der Stanzkegel und die Fläche, in der die Schubspannung des Material überwunden werden muss. Eine gut konstruierte Verbindung reizt die Möglichkeiten für alle mitwirkenden Komponenten so aus, dass ein Versagen, zum Beispiel Abscheren und Lochleibung, etwa gleichzeitig auftreten würde. Darauf sind im Wesentlichen die Konstruktionsregeln ausgerichtet. In einschlägigen Tabellenwerken sind die sogenannten Anreißmaße und maximalen Lochdurchmesser angegeben, die bei der Konstruktion von Schraubverbindungen einzuhalten sind. Im Bild 6-20 sind weitere Beispiele zu Schrauben dargestellt. Bild 6-20: Lochspiel, Unterschied zwischen Senkkopfschraube und Normalkopfschraube, Beispiele für Komplettgarnituren