Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

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1 322 Geschraubte Verb _D :30 Seite 1 Merkblatt 322 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau Stahl-Informations-Zentrum

2 Merkblatt 322 Stahl-Informations-Zentrum Das Stahl-Informations-Zentrum ist eine Gemeinschaftsorganisation Stahl erzeugender und verarbeitender Unternehmen. Markt- und anwendungsorientiert werden firmenneutrale Informationen über Verarbeitung und Einsatz des Werkstoffs Stahl bereitgestellt. Verschiedene Schriftenreihen bieten ein breites Spektrum praxisnaher Hinweise für Konstrukteure, Entwickler, Planer und Ver - arbeiter von Stahl. Sie finden auch Anwendung in Ausbildung und Lehre. Vortragsveranstaltungen schaffen ein Forum für Erfahrungsberichte aus der Praxis. Messen und Ausstellungen dienen der Präsentation neuer Werkstoffentwicklungen und innovativer, zukunftsweisender Stahlanwendungen. Als individueller Service werden auch Kontakte zu Instituten, Fachverbänden sowie Spezialisten aus Forschung und Industrie vermittelt. Die Pressearbeit richtet sich an Fach-, Tages- und Wirtschaftsmedien und informiert kontinuierlich über neue Werkstoffentwicklungen und -anwendungen. Das Stahl-Informations-Zentrum zeichnet besonders innovative Anwendungen mit dem Stahl-Innovationspreis (www.stahl-innovations preis.de) aus. Er ist einer der bedeutendsten Wettbewerbe seiner Art und wird alle drei Jahre ausgelobt. Die Internet-Präsentation (www.stahlinfo.de) informiert über aktuelle Themen und Mitglieder des Stahl-Informations-Zentrums: AG der Dillinger Hüttenwerke ArcelorMittal Bremen GmbH ArcelorMittal Commercial RPS S.à.r.l. ArcelorMittal Duisburg GmbH ArcelorMittal Eisenhüttenstadt GmbH Benteler Steel Tube GmbH Böllinghaus Steel GmbH Gebr. Meiser GmbH Georgsmarienhütte GmbH Outokumpu VDM GmbH Saarstahl AG Salzgitter AG ThyssenKrupp Bautechnik GmbH ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH ThyssenKrupp Rasselstein GmbH ThyssenKrupp Steel Europe AG Wickeder Westfalenstahl GmbH Veranstaltungen und bietet einen Überblick über die Veröffentlichungen des Stahl-Informations-Zentrums. Publikationen können hier bestellt oder als PDF-Datei heruntergeladen werden. Anmeldungen zu Veranstaltungen sind ebenfalls online möglich. Der Newsletter informiert Abonnenten per über Neuerscheinungen, Veranstaltungen und Wissenswertes. Impressum Merkblatt 322 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau Ausgabe 2012, ISSN Herausgeber: Stahl-Informations-Zentrum, Postfach , Düsseldorf Autoren: Prof. Dr.-Ing. Rolf Kindmann, Ruhr Universität Bochum, Lehrstuhl für Stahl-, Holz- und Leichtbau Prof. Dr.-Ing. Jan Vette, Fachhochschule Münster, Fachbereich Bauingenieurwesen Redaktion: Stahl-Informations-Zentrum Ein Nachdruck dieser Veröffentlichung ist auch auszugsweise nur mit schriftlicher Genehmigung des Herausgebers und bei Quellenangabe gestattet. Die zugrunde liegenden Informationen wurden mit größter Sorgfalt recherchiert und redaktionell bearbeitet. Eine Haftung ist jedoch ausgeschlossen. DIN-Normen: Wiedergegeben mit Erlaubnis des DIN Deutsches Institut für Normung e. V. Maßgebend für das Anwenden der DIN-Norm ist die Fassung mit dem neuesten Ausgabe - datum, die bei der Beuth Verlag GmbH, Burg - grafen straße 6, Berlin, erhältlich ist. Inhalt Seite 1 Einleitung und Übersicht Schrauben, Muttern und Scheiben Herstellen von geschraubten Verbindungen Kraftübertragung und Tragverhalten Bemessung nach DIN EN Bemessungsbeispiele nach DIN EN Normen Literatur

3 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau 1 Einleitung und Übersicht 1.1 Einführung Stahltragwerke bestehen in der Regel aus Trägern, Stützen und Rahmen, die aus Blechen und gewalzten Profilen hergestellt werden. Für die erforderlichen Verbindungen, Stöße, Anschlüsse und Befestigungen werden geeignete Techniken benötigt, die die Ausführung wirtschaftlicher und dauerhafter Konstruktionen ermöglicht. Alte Stahlkonstruktionen belegen, dass man Verbindungen früher ausschließlich mit Nieten hergestellt hat. Da sie keine Zugkräfte aufnehmen konnten, musste man so konstruieren, dass sie nur durch Scherkräfte beansprucht wurden, also nur durch Kräfte senkrecht zur Nietachse. Von wenigen Ausnahmen abgesehen kommen Nietverbindungen heutzutage nicht mehr zum Einsatz. Aus wirtschaftlichen Gründen sind sie schon seit langem durch geschweißte und geschraubte Verbindungen ersetzt worden. Aufgrund der runden, stiftartigen Form sind Nieten und Schrauben unmittelbar miteinander vergleichbar. Dies galt zeitweise auch für das Tragverhalten, weil man Schrauben zunächst so angeordnet hat, dass sie wie Nieten nur durch Scherkräfte beansprucht wurden. Die Weiterentwicklung der Konstruktionstechniken und Schraubenfestigkeiten hat zwischenzeitlich zu einem weiteren Wandel geführt: Heutzutage können Schrauben sowohl Scherkräfte als auch Zugkräfte aufnehmen. Diese Entwicklung ist auch an den einschlägigen Normen für Stahlbauten erkennbar. In den Regelungen von DIN stehen Scher-/Lochleibungsverbindungen im Vordergrund, was dort insbesondere durch die Einteilung in sechs Ausführungsformen von geschraubten Verbindungen deutlich wird. In DIN EN , die die DIN abgelöst hat, werden scher- und zugbeanspruchte Verbindungen mit Schrauben gleichrangig behandelt. Grundlage der folgenden Ausführungen ist die DIN EN in Verbindung mit dem nationalen Anhang für Deutschland. Darüber hinaus werden die aktuellen Produktnormen für Schrauben und die DIN EN heran gezogen. Dieses Merkblatt richtet sich an Studenten, Ingenieure und Architekten. Es betrifft Stahlbauten im Sinne der DIN EN 1993 (Eurocode 3) und gilt für die Bemessung und Konstruktion tragender Bauteile aus Stahl. Für Bauteile mit nicht vorwiegend ruhender Belastung sind zusätzliche Regelungen zu beachten, ebenso wie zusätzliche Bestimmungen in den entsprechenden Teilen der DIN EN 1993 oder in den Vorschriften der Bahn. Auf solche Regeln wird in diesem Merkblatt nicht eingegangen. Das Merkblatt behandelt die im Stahlbau üblichen Schrauben mit metrischem Gewinde und Sechskantköpfen der Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 8.8 und 10.9 sowie die zugehörigen Sechskantmuttern und Scheiben, siehe Tabelle Inhalt der Kapitel Einleitung und Übersicht Nach einer allgemeinen Einführung in die Thematik wird die prinzipielle Vorgehensweise bei der Bemessung geschraubter Verbindungen anhand eines Einführungsbeispiels beschrieben, und es wird auf Grundsätze für die konstruktive Ausbildung und die Berechnungen hingewiesen. Darüber hinaus werden die Kategorien für geschraubte Verbindungen nach DIN EN und die verwendeten Bezeichnungen zusammengestellt Schrauben, Muttern und Scheiben Dieses Kapitel enthält Informationen zu den Produkten, die in Schraubengarnituren zu verwenden sind. Im Wesentlichen geht es dabei um die entsprechenden Normen, Abmessungen und Festigkeiten Herstellung Die Herstellung geschraubter Verbindungen wird erläutert, aber auch die Darstellung auf Zeichnungen vermittelt, und es werden Hinweise zum Korrosionsschutz und zur Vorspannung gegeben Kraftübertragung und Tragverhalten Das Kapitel enthält Erläuterungen zur Berechnung von Kräften in den Schrauben einer Verbindung, zur Übertragung der Schnittgrößen und zum Tragverhalten einzelner Schrauben Bemessung nach DIN EN Hier sind die wichtigsten Grundlagen für normengerechte Nachweise zusammengestellt. Das Kapitel enthält Berechnungsformeln und Tabellen mit den Bemessungswerten der Tragfähigkeit einzelner Schrauben nach DIN EN

4 Merkblatt Bemessungsbeispiele Mithilfe von sechs Bemessungsbeispielen wird die Durchführung der erforderlichen Nachweise erläutert. 1.3 Einführungsbeispiel Bei der konstruktiven Ausbildung und der Bemessung geschraubter Verbindungen sind die folgenden Grundsätze zu beachten: Stöße und Anschlüsse sollen gedrungen ausgebildet werden. Es ist eine unmittelbare und symmetrische Stoßdeckung anzustreben. Versatzmomente sollten möglichst vermieden werden. Die einzelnen Querschnittsteile sollen für sich angeschlossen oder gestoßen werden. Die Beanspruchung der Verbindung eines Querschnittsteils soll aus den Schnittgrößenanteilen dieses Querschnittsteils bestimmt werden. Abb. 1.1: Einführungsbeispiel Trägerstoß Die Vorgehensweise bei der Bemessung geschraubter Verbindungen wird mit dem in Abb. 1.1 dargestellten Trägerstoß erläutert. Der Träger besteht aus einem Walzprofil HEA500, d.h., er hat einen doppeltsymmetrischen Querschnitt. Die rechts in der Abbildung angegebenen Schnittgrößen wirken unmittelbar an der Stoßstelle. Zunächst sollte man entsprechend den o. g. Grundsätzen die Teilschnittgrößen in den Einzelteilen des Querschnitts infolge N, M und V ermitteln und dann festlegen, wie diese Teilschnittgrößen durch die Schrauben übertragen werden sollen. Beim klassischen Laschenstoß, siehe Abb. 1.1 b, werden die Schrauben nur durch Scherkräfte beansprucht, was unmittelbar anhand der Teilschnittgrößen erkennbar ist. Dies sind in den Gurten die Normalkräfte infolge N und M, die von den Gurten durch die Schrauben in die Laschen und auf der anderen Seite des Stoßes wieder in die Gurte übertragen werden. Im Steg ergeben sich die Teilschnittgrößen N w, M w und V w = V, die die Schrauben ebenfalls durch Scherkräfte beanspruchen. Bei der Ermittlung der Kräfte in den Schrauben ist zu beachten, dass infolge V ein Versatzmoment auftritt. Als prinzipielle Vorgehensweise können die folgenden Grundsätze für die Nachweisführung herangezogen werden: 1. Teilschnittgrößen in den Einzelteilen des Querschnitts ermitteln. 2. Scherkräfte in den einzelnen Schrauben ermitteln (in der Regel die Maximalwerte). 3. Nachweise führen: Abscheren der Schrauben, Lochleibung der Bleche, Beanspruchung des Nettoquerschnitts (Lochabzug). Bei dem in Abb. 1.1c dargestellten Stirnplattenstoß wird der Obergurt infolge N und M durch eine Drucknormalkraft beansprucht. Sie kann unmittelbar durch die Stirnplatten und Druckkontaktkräfte übertragen werden. Im Untergurt ergibt sich infolge N und M eine Zug - normalkraft, so dass die Schrauben im Bereich des Untergurtes durch Zugkräfte beansprucht werden. Die Tragfähigkeit des Stirnplattenstoßes wird in der Regel unter Verwendung des T-Stummel-Modells ermittelt (siehe Abschnitt 5.12). Aufgrund der Zugbeanspruchung in den Schrauben wird der Stirnplattenstoß gemäß DIN EN den Kategorien D oder E zu - geordnet (siehe Abschnitt 1.4). Die Querkraft V wird in der Regel den Schrauben im Bereich des Obergurtes zugewiesen. Sie hat häufig eine untergeordnete Bedeutung. 4

5 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau Kategorie Nachweiskriterium Anmerkungen Scherverbindungen (scherbeanspruchte Schrauben) A F v,ed F v,rd Keine Vorspannung erforderlich. Scher-/Lochleibungsverbindungen F v,ed F b,rd Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9 dürfen verwendet werden. Tabelle 1.1: Kategorien von geschraubten Verbindungen nach DIN EN B F v,ed,ser F s,rd,ser In der Regel sind hochfeste Schrauben Gleitfeste Verbindungen im Grenz- F v,ed F v,rd der Festigkeitsklasse 8.8 oder 10.9 zu verwenden. zustand der Gebrauchstauglichkeit F v,ed F b,rd Gleitwiderstand für die Gebrauchstauglichkeit. C F v,ed F s,rd In der Regel sind hochfeste Schrauben der Gleitfeste Verbindungen im F v,ed F b,rd Festigkeitsklasse 8.8 oder 10.9 zu verwenden. Grenzzustand der Tragfähigkeit ΣF v,ed N net,rd Gleitwiderstand für die Tragfähigkeit. Zugverbindungen (zugbeanspruchte Schrauben) Keine Vorspannung erforderlich. D F t,ed F t,rd Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9 dürfen Nicht vorgespannt F t,ed B p,rd verwendet werden. B p,rd siehe Abschnitt 5.5. In der Regel sind hochfeste Schrauben der E F t,ed F t,rd Festigkeitsklasse 8.8 oder 10.9 zu verwenden. Vorgespannt F t,ed B p,rd B p,rd siehe Abschnitt 5.5. F v,rd F b,rd F s,rd,ser F s,rd F t,rd Grenzabscherkraft pro Schraube Grenzlochleibungskraft pro Schraube Grenzgleitwiderstand pro Schraube im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Grenzgleitwiderstand pro Schraube im Grenzzustand der Tragfähigkeit Grenzzugkraft pro Schraube 1.4 Kategorien nach DIN EN Geschraubte Verbindungen werden gemäß DIN EN in die Kategorien A bis E eingeteilt. Die Kategorien beziehen sich auf die Beanspruchung der Schrauben (Abscheren oder Zug) und Varianten in der Ausführung (gleitfest, vorgespannt, handfest angezogen). Weitere Einzelheiten können Tabelle 1.1 entnommen werden. Geschraubte Verbindungen mit scherbe - anspruchten Schrauben werden in der Regel für die Bemessung in folgende Kategorien unterteilt: a) Kategorie A: Scher-/Lochleibungsverbindungen Zu dieser Kategorie gehören Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis Vorspannung und besondere Oberflächenbehandlungen sind in der Regel nicht erforderlich. Der Bemessungswert der einwirkenden Scherkraft darf weder den Bemessungswert der Schertragfähigkeit noch den Bemessungswert des Lochleibungswiderstandes überschreiten, siehe Abschnitt 5.4. b) Kategorie B: Gleitfeste Verbindungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Zu dieser Kategorie gehören hochfeste Schrauben, die kontrolliert vorgespannt werden. Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit darf in der Regel kein Gleiten auftreten. Der Bemessungswert der einwirkenden Scherkraft im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit darf in der Regel den Bemessungswert des Gleitwiderstandes nicht überschreiten. Der Bemessungswert der einwirkenden Abscherkraft im Grenzzustand der Tragfähigkeit darf in der Regel den Bemessungswert der Schertragfähigkeit und des Lochleibungswiderstandes nicht überschreiten. c) Kategorie C: Gleitfeste Verbindungen im Grenzzustand der Tragfähigkeit Zu dieser Kategorie gehören hochfeste Schrauben, die kontrolliert vorgespannt werden. Im Grenzzustand der Tragfähigkeit darf kein Gleiten auftreten. Der Bemessungswert der einwirkenden Scherkraft im Grenzzustand der Tragfähigkeit darf den Bemessungswert des Gleit - 5

6 Merkblatt 322 widerstandes und des Lochleibungswiderstandes nicht überschreiten. Zusätzlich darf bei Zugverbindungen der Bemessungswert des plastischen Widerstands des Nettoquerschnitts im kritischen Schnitt durch die Schraubenlöcher N net,rd (siehe DIN EN , 6.2) nicht überschritten werden. Für die Baupraxis hat die Kategorie A die mit Abstand größte Bedeutung. Gleitfeste Verbindungen nach den Kategorien B und C kommen nur selten zum Einsatz, weil sie eine Behandlung der Reibflächen zur Sicherstellung der Reibung erfordern. Bezüglich des Tragverhaltens bieten sie bei ermüdungsbeanspruchten Verbindungen, d. h. bei häufig veränderlichen Beanspruchungen, Vorteile. Bei geschraubten Verbindungen mit zug - beanspruchten Schrauben werden in der Regel für die Bemessung folgende Kategorien unterschieden: a) Kategorie D: Nicht vorgespannt Zu dieser Kategorie gehören Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis Vorspannung ist nicht erforderlich. Diese Kategorie darf bei Verbindungen, die häufig veränderlichen Zugbeanspruchungen ausgesetzt sind, nicht verwendet werden. Der Einsatz in Verbindungen, die durch normale Windlasten beansprucht werden, ist dagegen erlaubt. b) Kategorie E: Vorgespannt Zu dieser Kategorie gehören hochfeste vorgespannte Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 oder 10.9, die kontrolliert vorgespannt werden. In Tabelle 1.1 sind die Nachweiskriterien für diese Verbindungskategorien zusammengefasst. Vereinzelt werden Schrauben in Verbindungen durch hohe Scher- und hohe Zugkräfte be - ansprucht, so dass dann auch die Kombination nachzuweisen ist. Einzelheiten zur Kraftüber - tragung und zum Tragverhalten werden in Kapitel 4 vermittelt, Einzelheiten zur Bemessung nach DIN EN in Kapitel Bezeichnungen Schrauben, Muttern und Scheiben d Schraubendurchmesser d 1 Kerndurchmesser d 2 Flankendurchmesser d 0 Lochdurchmesser Dd Lochspiel A A s b s e k m h P l Schaftquerschnitt Spannungsquerschnitt Gewindelänge Schlüsselweite Eckenmaß Kopfhöhe Mutternhöhe Scheibendicke Steigung Schraubenlänge (ohne Kopf) Allgemeine Bezeichnungen M Biegemoment N Normalkraft V Querkraft A Querschnittsfläche (brutto) A net Querschnittsfläche (netto) F v Abscherkraft pro Schraube F b Lochleibungskraft pro Schraube F t Zugkraft pro Schraube t Blechdicke t Klemmlänge t s Paketdicke der verbundenen Bleche ohne Scheiben n Bedeutung 1: Anzahl der Schrauben in einer Verbindung Bedeutung 2: Abstand der Schraubenreihe zum Angriffspunkt der Abstützkräfte (T-Stummel-Modell) m Bedeutung 1: Anzahl der Scherfugen (Schnittigkeit) Bedeutung 2: Abstand der Schraubenreihe zum gezogenen Blech (T-Stummel-Modell) e Abstand von der Schraubenreihe bis zum Rand (T-Stummel-Modell) p Abstand der Schrauben untereinander g M0 Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruchbarkeit von Querschnitten g M1 Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruchbarkeit von Bauteilen bei Stabilitätsversagen g M2 Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruchbarkeit von Querschnitten bei Bruchver - sagen infolge Zugbeanspruchung g F Teilsicherheitsbeiwert für Einwirkungen m Reibungszahl σ Normalspannung t Schubspannung f u Zugfestigkeit f y Streckgrenze Indizes f Flansch (engl.: flange) w Steg (engl.: web) Ed Bemessungswert der Einwirkung Rd Bemessungswert der Beanspruchbarkeit 6

7 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau 2 Schrauben, Muttern und Scheiben 2.1 Normen Die DIN EN umfasst die folgenden Bezugsnormen hinsichtlich der Schrauben, Muttern und Unterlegscheiben: DIN EN 14399: Hochfeste planmäßig vorspannbare Schraubenverbindungen für den Metallbau Teil 1: Allgemeine Anforderungen ( ) Teil 2: Prüfung der Eignung zum Vorspannen ( ) Teil 3: System HR Garnituren aus Sechskantschrauben und -muttern ( ) Teil 4: System HV Garnituren aus Sechskantschrauben und -muttern ( ) Teil 5: Flache Scheiben ( ) Teil 6: Flache Scheiben mit Fase ( ) DIN EN : Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen Teil 2: Muttern mit festgelegten Prüfkräften; Regelgewinde ( ) DIN EN ISO 898-1: Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl Teil 1: Schrauben mit festgelegten Festigkeitsklassen Regelgewinde und Feingewinde ( ) DIN EN ISO 4014: Sechskantschrauben mit Schaft Produktklassen A und B ( ) DIN EN ISO 4016: Sechskantschrauben mit Schaft Produktklasse C ( ) DIN EN ISO 4017: Sechskantschrauben mit Gewinde bis Kopf Produktklassen A und B ( ) DIN EN ISO 4018: Sechskantschrauben mit Gewinde bis Kopf Produktklasse C ( ) DIN EN ISO 4032: Sechskantmuttern, Typ 1 Produktklassen A und B ( ) DIN EN ISO 4033: Sechskantmuttern, Typ 2 Produktklassen A und B ( ) DIN EN ISO 4034: Sechskantmuttern Produktklasse C ( ) DIN EN ISO 7089: Flache Scheiben Normale Reihe, Produktklasse A ( ) DIN EN ISO 7090: Flache Scheiben mit Fase Normale Reihe, Produktklasse A ( ) DIN EN ISO 7091: Flache Scheiben Normale Reihe, Produktklasse C ( ) In Klammern ist jeweils das Ausgabedatum der zurzeit aktuellen Norm angegeben (z.b ). Darüber hinaus ist für die Ausführung von Stahlbauten und somit auch für geschraubte Verbindungen von Bedeutung: DIN EN : Ausführung von Stahltragwerken und Aluminiumtragwerken Teil 2: Technische Regeln für die Ausführung von Stahltragwerken ( ) In der Ausführungsnorm DIN EN wird ergänzend auf die folgenden Normen verwiesen, die geschraubte Verbindungen betreffen: DIN EN 14399: Hochfeste planmäßig vorspannbare Schraubenverbindungen für den Metallbau Teil 7: System HR Garnituren aus Senkschrauben und Muttern ( ) Teil 8: System HV Garnituren aus Sechskant-Passschrauben und Muttern ( ) Teil 9: System HR oder HV Direkte Kraft - anzeiger für Garnituren aus Schrauben und Muttern ( ) Teil 10: System HRC Garnituren aus Schrauben und Muttern mit kalibrierter Vorspannung ( ) DIN EN 15048: Garnituren für nicht planmäßig vorgespannte Schraubenverbindungen für den Metallbau Teil 1: Allgemeine Anforderungen ( ) Teil 2: Eignungsprüfung ( ) Die aufgeführten, übergeordneten Regelwerke DIN EN und DIN EN sind in der Bauregelliste B enthalten, so dass auch nationale Produkte nach DIN-Normen, die den Konformitätsnachweis dieser Normen erfüllen, in Deutschland gehandelt werden dürfen und die CE-Kennzeichnung tragen. 2.2 Schraubenformen und -arten Beschreibung einer geschraubten Verbindung Eine Schraube besteht aus dem Kopf und dem Schaft, siehe Abb Der Schaft hat bereichsweise oder über die gesamte Länge ein Gewinde. Bei den im Stahlbau üblichen Schrauben werden in der Regel Schrauben mit glattem Schaft und Gewinde verwendet (siehe Abb. 2.1, oben). 7

8 Merkblatt 322 Abb. 2.1: Schrauben Die Mutter wird auf das Gewinde der Schraube aufgeschraubt. Es gibt aber auch die Möglichkeit, ein Gewinde in ein Bauteil einzuschneiden, wobei das Bauteil dann die Funktion der Mutter übernimmt. Zwischen den zu verbindenden Blechteilen und dem Schraubenkopf bzw. der Mutter werden Unterlegscheiben (nachfolgend als Scheiben bezeichnet) angeordnet. In der Regel befinden sich diese unter dem Teil, das beim Anziehen gedreht wird. Bei hochfesten planmäßig vorgespannten Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 sind sowohl unter dem Schraubenkopf als auch unter der Mutter Scheiben anzuordnen. Sie dienen zu einer gleichmäßigeren Krafteinleitung und schützen durch Fasen den Übergang des Schraubenkopfes in den Schaft vor einer Kerbwirkung. Insgesamt werden die Schrauben zusammen mit den Muttern und den zugehörigen Scheiben als Schraubengarnitur bezeichnet, siehe Abb Während nach den alten, deutschen Regelungen die Klemmlänge als Summe der als Klemmpaket verbundenen Bleche definiert war (jetzt Klemmpaketdicke t s ), wird nach den europäischen Regelungen die Klemmlänge als Länge zwischen Schraubenkopf und Mutter definiert, siehe Abb Die Klemmlänge ist daher gleich der Dicke des Klemmpakets einschließlich der Dicke der Scheiben. Gemäß DIN EN wird zwischen planmäßig vorgespannten und planmäßig nicht vorgespannten Schraubenverbindungen unterschieden. Vorgespannte Verbindungen bestehen in der Regel aus planmäßig vorspannbaren Schraubengarnituren. Vorgespannte, auf Zug beanspruchte Schrauben gemäß Abschnitt haben gegenüber nicht vorgespannten Verbindungen, siehe Abschnitt 3.3.1, Vorteile im Hinblick auf den Korrosionsschutz und die Ermüdung. Auf den Begriff planmäßig wird im Folgenden bei vorgespannten Verbindungen verzichtet. Gemäß den übergeordneten Schrauben - normen DIN EN und DIN EN soll die gesamte Schraubengarnitur von einem Hersteller geliefert werden. Er ist für die Funktionsfähigkeit der Garnitur verantwortlich. Das Gleiche gilt für den Oberflächenüberzug der Garnituren, siehe Abschnitt 3.2. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Schrauben sehr empfindlich auf Unterschiede in der Herstellung und Schmierung reagieren. Abb. 2.2: Schraubengarnitur mit Klemmpaket- Bezeichnungen Gewinde Die im Stahlbau verwendeten Schrauben und Muttern haben ein metrisches Gewinde nach DIN ISO 724. Die Gewindetoleranzen sind in DIN ISO geregelt. Die Schrauben und Muttern werden mit dem Buchstaben M bezeichnet. M16 bedeutet: Schraube oder Mutter mit metrischem Gewinde und Nenndurchmesser d = 16 mm. In Abb. 2.3 ist ein typisches Regelgewinde mit den wichtigsten Abmessungen dargestellt. Folgende Bezeichnungen sind nach DIN ISO 724 am Außengewinde zu unterscheiden: d: Außendurchmesser (Nenndurchmesser) d 2 : Flankendurchmesser d 1 : Kerndurchmesser 8

9 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau Abb. 2.3: Metrisches Regelgewinde nach DIN ISO 724 Der Flankenwinkel ist für alle Durchmesser konstant. Die Maße P und H sind von d abhängig. Das ISO-Regelgewinde hat beispielsweise für d = 12 mm (Schraube M12) die Steigung P = 1,75 mm und bei M30 ist P = 3,5 mm. Außer dem Regelgewinde gibt es noch Feingewinde, die hier nicht behandelt werden, da sie im Stahlbau keine Rolle spielen Schraubenköpfe und -schäfte Im Allgemeinen werden Schrauben mit Sechskantköpfen und Sechskantmuttern verwendet. Das wichtigste Maß ist der Durchmesser der Schraube, da die Tragfähigkeiten von der Querschnittsfläche und somit vom Durchmesser abhängen. Die übrigen Maße wie z.b. die Schlüsselweite s und die Gewindelänge b sind vom Durchmesser des Schraubenschaftes d abhängig. Schraubengarnituren, die für nicht vorgespannte Schraubenverbindungen (Kategorien A und D gemäß Tabelle 1.1) geeignet sind, werden in der übergeordneten DIN EN geregelt. Darüber hinaus werden die Schrauben in Produktklassen eingeordnet. Für nicht vorgespannte Schraubengarnituren können sämtliche Produktnormen herangezogen werden, wenn sie den Konformitätsnachweis nach DIN EN erfüllen. Dafür muss die Übereinstimmung der Komponenten und Garnituren mit den dort angegebenen Anforderungen nachgewiesen werden. Diese umfassen eine Erstprüfung und die werkseigene Produktionskontrolle durch den Hersteller, einschließlich der Beurteilung des Produktes. Nähere Informationen hierzu sind in DIN EN und bezüglich des Eignungsnachweises in DIN EN enthalten. Aus diesem Grund können Schraubengarnituren nach den europä - ischen Normen, siehe Abschnitt 2.1, und auch nach den deutschen Produktnormen verwendet werden. Schrauben nach den deutschen Produktnormen haben kürzere Gewinde. Damit kann leichter erreicht werden, dass der glatte Teil des Schaftes in der Scherfuge liegt, so dass eine höhere Schertragfähigkeit ausgenutzt werden kann (siehe Abschnitt 5.4). Nachteilig ist, dass eine genaue Planung der Schraubenlängen erforderlich ist. Die Produktklasse hängt im Wesentlichen von der Festigkeitsklasse und dem Schraubendurchmesser ab. Diese Angaben für Stahlbauschrauben können Tabelle 2.1 entnom - men werden. Bemerkenswert ist, dass neben den Schrauben mit glattem Schaft auch die Schrauben mit Gewinde bis zum Kopf verwendet werden können. Die Angaben hierzu finden sich ebenfalls in Tabelle 2.1. Hochfeste Schraubengarnituren, die den Anforderungen in DIN EN genügen, dürfen als vorgespannte Schraubenverbindungen (Kategorien B, C und E), aber auch als nicht vorgespannte Schraubenverbindungen (Kategorien A und D) verwendet werden. Für den Nachweis der CE-Konformität ist neben der Erstprüfung und der werkseigenen Kontrolle auch der Nachweis der Funktionseigenschaften gemäß DIN EN vorgeschrieben. Nach DIN EN werden vorspannbare Schrauben in HV-Schrauben (mit kurzem Gewinde) und HR- Schrauben (mit mittellangem Gewinde) unterschieden. Vorspannbare Schraubengarnituren Produktnorm Gewindelänge Produkt- Festigb klasse keitsklasse DIN 7990 DIN ) Kurz (1,4 bis 1,6) d Tabelle 2.1: Schrauben für nicht vorspannbare Schraubenverbindungen C 4.6, 5.6 DIN EN ISO 4014 Mittellang M24: A 5.6, 8.8, > M24: B 10.9 (2,2 bis 2,5) d DIN EN ISO 4016 C 4.6 DIN EN ISO 4017 Lang M24: A 5.6, 8.8, > M24: B 10.9 l DIN EN ISO 4018 C 4.6 1) Passschraube mit d s = d + 1 mm

10 Merkblatt 322 Produktnorm Bez. Gewindelänge Produkt- Festigb klasse keitsklasse DIN EN DIN EN DIN EN ) HR HV HV 1) Passschraube mit d s = d + 1 mm. Abb. 2.4: Verbindung mit einer Senkschraube Mittellang (2,2 3,3) d Kurz (1,4 1,9) d Kurz (1,4 1,9) d Tabelle 2.2: Schrauben für vorspannbare Schraubenverbindungen B 8.8, 10.9 B 10.9 B 10.9 haben eine größere Schlüsselweite als nicht vorspannbare Schraubengarnituren. Schrauben mit geringerer Festigkeitsklasse (4.6 und 5.6) dürfen grundsätzlich nur handfest angezogen, aber planmäßig nicht vorgespannt werden. Nähere Angaben enthalten die Tabellen 2.2 und 2.6. Die HR-Schraube unterscheidet sich von der HV-Schraube durch ihr längeres Gewinde. Außerdem weisen die Muttern vom Typ HR eine größere Höhe auf. Ansonsten sind die Abmessungen nahezu identisch. Begründet werden die Unterschiede damit, dass sich bei einer HV-Garnitur das Verformungsvermögen durch Abstreifen der Mutter einstellen soll. Demgegenüber soll bei einer HR-Garnitur die Schraube ihr Dehnungsvermögen durch plastische Verlängerung der Schraube erreichen. Passschrauben nach DIN 7968 (nicht vor - gespannt) und DIN EN (vorspannbar) werden nach DIN EN im Wesentlichen wie normale Schrauben bemessen und daher hier nicht gesondert behandelt. Neben den Sechskantschrauben gibt es im Stahlbau unter anderem die Senkschrauben nach DIN 7969 bzw. DIN EN (siehe Abb. 2.4) und HRC-Schrauben nach DIN EN Aufgrund ihrer eher untergeordneten Bedeutung werden sie hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt Muttern und Scheiben Genauso wie die Schrauben sind auch die Muttern sowie die Scheiben in Produktnormen geregelt. Auch hierbei ist die Unterscheidung zwischen Muttern und Scheiben für vorspannbare und nicht vorgespannte Schraubengarnituren zu beachten. In Tabelle 2.3 sind Produktnormen für Muttern und in Tabelle 2.4 für Scheiben zusammengestellt. Wie bei den Schrauben sind die Schlüsselweiten der Muttern bei nicht vorgespannten Verbindungen ca. 1,5 bis 1,6 d. Bei vorspannbaren Schraubengarnituren sind die Muttern wie die Schraubenköpfe eine Schlüsselweite größer als bei nicht vorspannbaren Garnituren (siehe Tabelle 2.6). Bei den Scheiben wird zwischen Scheiben mit und ohne Fasen unterschieden. Während es für die Scheiben unter den Muttern und bei nicht vorspannbaren Schraubengarnituren auch unter dem Kopf keine Rolle spielt, ob Scheiben mit oder ohne Fase verwendet werden, dürfen unter den Schraubenköpfen bei vorspannbaren Schrauben nur die mit Fase verwendet werden. Die Fasen sind innen und außen vorhanden und sind beim Einbau dem Schraubenkopf bzw. der Mutter zugewandt. Dadurch wird der Übergang vom Schraubenkopf zum Schaft vor einer Kerbe geschützt. Die außenliegende Fase ermöglicht die Kontrolle des richtigen Einbaus von außen. Auf der anderen Seite liegt die Scheibe vollflächig auf und gewährleistet eine konstante Kraftübertragung. 2.3 Schraubenbezeichnung und -kennzeichnung Alle Schrauben und Muttern für geschraubte Verbindungen müssen ein Herstellerkennzeichen und die Kennzeichnung der Festigkeitsklasse bzw. des Schraubentyps enthalten, so dass die Gefahr einer Verwechselung minimiert wird und eine spätere Kontrolle der Verbindungsmittel möglich ist. In Abb. 2.5 sind beispielhaft die Herstellerangaben auf Scheiben für vorspann - bare Schraubengarnituren, auf Schraubenköpfen und Muttern dargestellt. Die Kennzeichnung der Festigkeitsklasse für Schrauben erfolgt durch zwei Zahlen, z.b Die beiden Zahlen werden durch einen Punkt getrennt; der Punkt wird mitgelesen: vier Punkt sechs. Für den Stahlhochbau kommen in Deutschland gemäß nationalem Anhang zur DIN EN nur Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 8.8 und 10.9 in Frage. Für die Muttern 10

11 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau Nicht vorspannbar Vorspannbar Produkt- Muttern- Produkt- Festignorm höhe klasse keitsklasse DIN EN ISO M16: A (6), 8, 4032 Mittel > M16: B 10 DIN EN ISO 4034 m 0,9 d DIN EN ISO Groß M16: A 4033 m d > M16: B DIN EN ( HR ) DIN EN ( HV ) Mittel m 0,9 d Kurz m 0,8 d ( ) keine Vorzugsvariante C 4, 5 (9), 12 B 8, 10 B 10 Tabelle 2.3: Muttern für nicht vorspannbare und vorspannbare geschraubte Verbindungen Nicht vorspannbar Vorspannbar Produkt- Geo- Pro- Min. Fasen norm metrie dukt- Härte klasse DIN DIN Typ 1 C A 100 HV Ohne DIN EN ISO A oder Ohne Typ HV DIN EN ISO 300 Außen DIN EN ISO 7091 C 100 HV Ohne DIN EN Ohne Typ 3 A 300 HV DIN EN Innen und außen Typ 1: Dicke: h = 8 mm (dick) Außen- : d a e + (3 bis 5 mm) Typ 2: Dicke: h 2,5 bis 5 mm (dünn) Außen- : d a e + (3 bis 5 mm) Typ 3: Dicke: h 3 bis 6 mm (mittel) Außen- : d a e Tabelle 2.4: Scheiben für nicht vorspannbare und vorspannbare Verbindungen und Scheiben gelten die entsprechenden Festigkeits- und Härteklassen (siehe Tabelle 2.5). Die Bedeutung der Festigkeitsklassen für die Trag - fähigkeit und die zugehörigen Werte werden in den Kapiteln 4 und 5 behandelt. Darüber hinaus muss bei Schrauben, Muttern und Scheiben durch eine CE-Kennzeichnung auf dem Etikett der Verpackung bestätigt werden, dass sie den Anforderungen der Produktnorm entsprechen. Durch eine werkseigene Produktionskontrolle des Herstellers sind die geforderten Grenzbedingungen im Zugversuch an einer kompletten Garnitur nach DIN EN oder im Anziehversuch nach DIN EN nachzuweisen. Abb. 2.5: Kennzeichnung von Schrauben Zusätzlich zur Festigkeitsklasse ist die Verwendungsart der Schraubengarnitur durch ein Kurzzeichen anzugeben. Schrauben für nicht vorspannbare Verbindungen werden mit SB (Structural Bolting) gekennzeichnet. Bei vorspannbaren Verbindungen tragen Schrauben, Muttern und Scheiben die Bezeichnung H. Dazu kommt die Angabe des Systems, so dass die vollständige Bezeichnung HV oder HR zu finden ist. Die Kennzeichnung bei Scheiben befindet sich auf der der Fase gegenüberliegenden Seite, damit keine Beeinträchtigung des Vorspannvorgangs entsteht. Scheiben in nicht vorspannbaren Verbindungen brauchen nicht gekennzeichnet zu werden. Die folgende Angabe zeigt beispielhaft die vollständige Bezeichnung einer Schraubengarnitur, bestehend aus Schraube und Mutter: Garnitur Schraube/Mutter DIN EN M16 x /10 HV tzn Es handelt sich um eine vorspannbare Schraubengarnitur mit d = 16 mm in der Festigkeitsklasse 10.9 vom Typ HV. Die zusätzliche Bezeichnung tzn weist auf eine Feuerverzinkung der Garnitur hin, siehe Abschnitt

12 Merkblatt 322 Kategorie Schrauben Muttern Flache Scheiben gemäß FK gemäß FK gemäß HK gemäß DIN EN ) DIN EN ISO DIN EN ISO Produktnorm [HV] A, D 4.6 > M16: 4 3) M16 : 5 3) 100 A, D ) 100 A, D A E 2) 300 4) A E 2) ) 1) Grundsätzlich ist vorwiegend ruhende Zugbeanspruchung zulässig. 2) Zusätzlich auch für nicht vorwiegend ruhende Zugbeanspruchung zulässig. 3) Auch Muttern der Festigkeitsklasse 8 sind zulässig. 4) Zusätzlich gekennzeichnet mit dem Herstellerkennzeichen an der Fase gegenüberliegenden Seite. Tabelle 2.5: Schraubengarnituren nach DIN EN und DIN EN in Abhängigkeit von der Kategorie 2.4 Zusammenstellung der Schraubengarnituren Entsprechend den Regelungen in den Produktnormen wurden in Abschnitt 2.2 Schrauben, Muttern und Scheiben vorgestellt. Dabei fällt auf, dass es unterschiedliche Bezeichnungen bei den Festigkeitsklassen gibt. Für Scheiben wird statt einer Festigkeitsklasse (FK) eine Härteklasse (HK) angegeben. Die Festigkeiten und Härten beziehen sich auf DIN ISO für Schrauben, auf DIN ISO für Muttern sowie auf die Produktnormen der Scheiben. In Tabelle 2.5 sind die Festigkeitsklassen so zusammen gestellt, dass die Schraubengarnituren den Forderungen nach DIN EN entsprechen, siehe auch DIN EN und DIN EN Bei der Konstruktion von vorwiegend nicht ruhenden Konstruktionen sind in der Regel vorgespannte Schraubenverbindungen oder bei reiner Scherbeanspruchung auch Passschrauben zu verwenden. Die wesentlichen Vorteile der Vorspannung liegen in der Sicherung gegen Lockern und in der Reduzierung des Spannungsspiels in der geschraubten Verbindung, so dass sie bezüglich der Ermüdung Vorteile aufweisen. 2.5 Abmessungen und Maße In diesem Abschnitt sind Abmessungen von Schrauben, Muttern und Scheiben sowie die Klemmlängen für die in der Regel verwendeten Stahlbauschrauben zusammengestellt. Schrauben, die größer als M36 sind, werden in der DASt-Richtlinie 021 Schraubenverbindungen aus feuerverzinkten Garnituren M39 bis M64 entsprechend DIN 6914, DIN 6915, DIN 6916 geregelt. Die Richtlinie ist in der Bau - regelliste A enthalten und ist bauaufsichtlich eingeführt. Der Übereinstimmungsnachweis wird anhand des Ü-Zeichens bestätigt. Da sie sich auf die deutschen Produktnormen bezieht, ist zu überprüfen, ob sie auch in Verbindung mit den europäischen Bemessungsnormen angewendet werden darf. Bei Passschrauben ist zu beachten, dass der Nenndurchmesser gleich dem Gewindedurchmesser ist. Der Schaftdurchmesser ist einen Millimeter größer als der Nenndurchmesser (siehe Tabelle 2.6). Da in Deutschland zu einem sehr großen Anteil die hochfesten vorspannbaren Schrauben vom Typ HV verwendet werden, sind in Tabelle 2.7 die Klemmlängen für vorspannbare Schraubengarnituren nach DIN EN bzw zusammengestellt. Für ein einwandfreies Funktionieren der vorspannbaren geschraubten Verbindungen müssen die Klemmlängen t folgende Bedingung erfüllen: (l g max + 2 P) < t < (l min P m max ) Darin ist P die Steigungshöhe und m max die maximale Mutternhöhe nach Tabelle 2.6. Die in Tabelle 2.7 aufgeführten Klemmlängen t min und t max liegen in diesem Bereich. Die Werte für t max werden unter der Bedingung festgelegt, dass im nicht vorgespannten Zustand das Schraubengewinde mindestens eine Steigungshöhe hinausragt. In Tabelle 2.8 sind darüber hinaus die möglichen Paketdicken t s unter Berücksichtigung von Scheiben unter Schraubenkopf und Mutter zusammengestellt. 12

13 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau Bezeichnungen M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36 Gewinde(nenn)durchmesser in mm d Schaftdurchmesser der Schrauben in mm d Lochdurchmesser bei normalen runden Löchern d Schaftdurchmesser von Passschrauben in mm d Schaftquerschnitt der Schrauben in mm 2 A Schaftquerschnitt von Passschrauben in mm 2 A Spannungsquerschnitt für normale Schrauben und Passschrauben in mm 2 A s 84, Steigungshöhe in mm P 1,75 2 2, ,5 4 Schrauben für nicht vorspannbare Garnituren nach DIN EN ISO 4014, DIN EN ISO 4016, DIN EN ISO 4017, DIN EN ISO 4018 sowie DIN 7990 Schlüsselweite in mm s Maß über Eck in mm e 19,85 26,17 32,95 39,55 45,2 50,85 60,79 Kopfhöhe in mm k 7, , ,7 22,5 Gewindelänge in mm nach DIN 7990 b 17, , ,5 Gewindelänge in mm nach Länge 125 mm b DIN EN ISO 4014 und 125 mm < Länge 200 b DIN EN ISO 4016 Länge > 200 mm b Gewindelänge in mm nach DIN EN ISO 4017 und DIN EN ISO 4018 b Gewinde geht bis zum Kopf Muttern für nicht vorspannbare Garnituren nach DIN EN ISO 4032, DIN EN ISO 4033, DIN EN ISO 4034 Schlüsselweite in mm s Mutterhöhe m in mm außer nach DIN EN ISO 4033 min./max. 10,37/10,8 14,1/14,8 16,9/18 20,2/21,5 22,5/23,8 24,3/25,6 29,4/31,0 Mutterhöhe m in mm nach DIN EN ISO 4033 min./max. 11,57/12,0 15,7/16,4 19,0/20,3 22,6/23,9 27,3/28,6 33,1/34,7 Scheiben für nicht vorspannbare Garnituren nach DIN EN ISO 7089, DIN EN ISO 7090 und DIN EN ISO 7091 sowie nach DIN 7989 Lochdurchmesser der Scheibe in mm, außer nach DIN EN ISO 7091 d Lochdurchmesser der Scheibe in mm nach DIN EN ISO 7091 d 1 13,5 17, Scheibendurchmesser in mm d Scheibendicke nach DIN EN ISO 7089, DIN EN ISO 7090 und DIN EN ISO 7091 in mm h 2, Scheibendicke nach DIN und DIN in mm h 8 Schrauben für vorspannbare Garnituren nach DIN EN bzw. -8 (Typ HV) und DIN EN (Typ HR) Schlüsselweite in mm s Maß über Eck in mm e 23,91 29,56 35,03 45,2 50,85 55,37 66,44 Kopfhöhe in mm nach DIN EN (Typ HV) k Gewindelänge in mm nach DIN EN (Typ HV) b Kopfhöhe in mm nach DIN EN (Typ HR) k 7, , ,7 22,5 Länge 125 mm b Gewindelänge in mm nach 125 mm < Länge 200 b DIN EN (Typ HR) Länge > 200 mm b Muttern für vorspannbare Garnituren nach DIN EN (Typ HV) und DIN EN (Typ HR) Schlüsselweite in mm s Mutterhöhe m in mm nach min./max. 9,64/10 12,3/13 14,9/16 18,7/20 20,7/22 22,7/24 27,7/29 DIN EN (Typ HV) = nom. Mutterhöhe m in mm nach min./max. 10,37/10,8 14,1/14,8 16,9/18 20,2/21,5 22,5/23,8 24,3/25,6 29,4/31 DIN EN (Typ HR) Scheiben für vorspannbare Garnituren nach DIN EN (ohne Fasen) und DIN EN (mit Fasen) Lochdurchmesser der Scheibe in mm d Scheibendurchmesser in mm d Dicke der Scheibe in mm h Tabelle 2.6: Abmessungen von Schrauben, Muttern und Scheiben gemäß den Produktnormen 13

14 Merkblatt 322 Schraube M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36 Länge Klemmlängen Σ t min und Σ t max ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) Nur nach DIN EN Tabelle 2.7: Klemmlängen t nach DIN EN und DIN EN für vorspannbare Schrauben 14

15 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau Schraube M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36 Länge Minimale und maximale Paketdicken t s ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) Nur nach DIN EN Tabelle 2.8: Paketdicken t s = t 2 h gemäß DIN EN und DIN EN für vorspannbare Schrauben für Garnituren mit zwei Scheiben 15

16 Merkblatt Herstellen von geschraubten Verbindungen 3.1 Vorbemerkungen Das Herstellen von geschraubten Verbindungen kann in die Herstellung im Werk und das Herstellen auf der Baustelle unterteilt werden. Die Arbeitsvorgänge, die im Werk oder in einer Fertigungshalle ausgeführt werden, z. B. das Herstellen der Löcher und das Aufbringen des Korrosionsschutzes, können als Herstellung im Werk bezeichnet werden. Die Herstellung auf der Baustelle umfasst u. a. das Ausrichten der Bauteile und das Verbinden mit den Schrauben. Dazu gehören z.b. das Aufbringen der planmäßigen Vorspannung und die Kontrolle der geschraubten Verbindungen. Die normative Grundlage zur Herstellung von geschraubten Verbindungen ist DIN EN In dieser Norm sind die Regelungen enthalten, die für die Herstellung geschraubter Verbindung von Bedeutung sind. Darüber hinaus enthält der nationale Anhang der DIN EN ergänzende Regelungen, die bei der Herstellung von geschraubten Verbindungen zu beachten sind. 3.1 Schraubenlöcher Um eine Schraube durch das vorbereitete Loch stecken zu können, ist es erforderlich, Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen. Aus diesem Grund werden die Schraubenlöcher etwas größer gebohrt als der Durchmesser des Schraubenschaftes beträgt. Die Differenz wird als Lochspiel Dd bezeichnet und ist vom Durchmesser der Schraube abhängig. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Langlöcher auszubilden, um Verschiebungen der geschraubten Verbindung in einer festgelegten Richtung zuzulassen. In Tabelle 3.1 sind die Nennlochspiele von normalen runden und übergroßen runden Löchern sowie von kurzen und langen Langlöchern angegeben. Für normale runde Schraubenlöcher bei kleinen Schraubendurchmessern (M12) sind nach DIN EN etwas kleinere Löcher zu bohren als nach DIN Werden jedoch die Schraubenlöcher für Schrauben M12 wie in DIN mit einem Lochspiel von 2 mm ausgeführt, so muss der Bemessungswert der Abschertragfähigkeit kleiner sein als der Bemessungswert der Lochleibungstragfähigkeit. Zusätzlich ist bei hochfes - ten Schrauben die Abschertragfähigkeit um 15 % zu reduzieren. Bei geschraubten Verbindungen mit übergroßen runden Löchern ist die Lochleibungstragfähigkeit um den Faktor 0,8 abzumindern, bei Langlöchern quer zur Längsachse um den Faktor 0,6. Nach DIN EN ist der Schlupf in Schraubenlöchern bei der Tragwerksberechnung zu berücksichtigen, falls er maßgebend ist. Für Passschraubenverbindungen haben die Schraubenlöcher den gleichen Nenndurchmesser wie der Schaft (Dd = 0 mm). Während sich für die normalen Löcher kaum Änderungen ergeben, sind die Regelungen bei Passschraubenverbindungen gegenüber der DIN (Dd = 0,3 mm) in der Form so verändert worden, dass sie nun der Toleranzklasse H11 entsprechen müssen. Die Abweichungen dürfen dementsprechend bis zu Dd = 0,16 mm je nach Durchmesser betragen. Aufgrund der hohen Passgenauigkeit und des damit verbundenen hohen Montageaufwands werden in der Regel normale Schrauben den Passschrauben vorgezogen. Lochdefinition Normale runde Löcher Übergroße runde Löcher Kurze Langlöcher (in der Länge) Lange Langlöcher (in der Länge) Schraubengröße M12 M16 und M24 M27 und M20 größer ,5 d Tabelle 3.1: Nennlochspiel Dd in mm bei Schrauben und Bolzen nach DIN EN Bezüglich Tabelle 3.1 sind folgende Anmerkungen zu beachten: Bei Anwendungsfällen, wie z. B. bei Türmen oder Masten, muss das Nennlochspiel für normale runde Löcher um 0,5 mm abgemindert werden, sofern nichts anderes festgelegt wird. Bei beschichteten Verbindungsmitteln M12 mit normalen runden Löchern kann das Nennlochspiel von 1 mm um die Überzugdicke des Verbindungsmittels erhöht werden. Bei Schrauben in Langlöchern muss das Nennlochspiel in Querrichtung gleich dem für normale runde Löcher beim entsprechenden Durchmesser sein. 16

17 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau 3.2 Korrosionsschutz Grundsätzlich gilt nach DIN EN der Grundsatz, dass eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit der Verbindungsmittel und der anzuschließenden Bauteile bestehen soll. Nach der Herstellung der Konstruktionsteile oder nach der Montage der Bauteile erhalten die Schrauben den gleichen Korrosionsschutz durch Überzüge (z. B. Anstrich oder Verzinkung) wie die Stahlkonstruktion. Bei verzinkten Konstruktionen sind verzinkte Schrauben zu verwenden. Immer häufiger werden auch bei nicht verzinkten Konstruktionen verzinkte Schrauben ein - gesetzt. Bei wetterfesten Stählen werden entsprechende wetterfeste Schrauben verwendet. Für mechanische Verbindungselemente aus nichtrostenden Stählen gelten gemäß der bauaufsichtlich eingeführten Zulassung Z die technischen Lieferbedingungen nach DIN ISO 3506 Teil 1 und 2. Stahlbauteile werden zum Schutz gegen Korrosion häufig feuerverzinkt. Die Montage dieser Teile erfolgt mit feuerverzinkten Schrauben, deren technische Lieferbedingungen in DIN EN ISO geregelt sind. Werden feuerverzinkte oder galvanisch verzinkte Schrauben verwendet, so ist die komplette Schraubengarnitur entsprechend beschichtet. Auch hochfeste Schrauben werden vorwiegend in feuerverzinkter Ausführung verwendet. Die namhaften Schraubenhersteller sind heute in der Lage, auch hochfeste Schrauben so zu verzinken, dass Wasserstoffversprödung, Sprödbruchanfälligkeit und Spannungsrisskorrosion in der Flüssigzinkphase ausgeschlossen werden können. 3.3 Anziehen und Vorspannen von geschraubten Verbindungen Handfestes Anziehen Nach DIN EN sind geschraubte Verbindungen mindestens handfest anzuziehen. Damit ist gemeint, dass der Schraubenkopf bzw. die Mutter flächig aufliegt und das Klemmpaket keine klaffenden Fugen aufweist. Die Ausnahme sind Fälle, bei denen im mittleren Bereich der Verbindung ein Anliegen der Kontaktflächen erreicht wird und kein planmäßiger Kontaktstoß festgelegt ist. Bei diesen Verbindungen dürfen bei Konstruktionsmaterialien mit t 4 mm bei Blechen und t 8 mm bei Profilquerschnitten bis zu 4 mm große Spalte zwischen den Kanten verbleiben. Inwieweit durch das handfeste Anziehen fest definierte Vorspannkräfte bzw. Anziehmomente aufzubringen sind, ist in DIN EN nicht geregelt. Als Anhaltswert wird in [3] empfohlen, 10 % der Mindestvorspannkraft für hochfeste Schraubengarnituren zu wählen. Die dadurch aufgebrachte Vorspannkraft ist selbst bei Schrauben der Festigkeitsklasse 4.6 mit ca % der Streckgrenze als akzeptabel zu bewerten Vorspannung von hochfesten Schraubengarnituren Für vorgespannte geschraubte Verbindungen (Kategorien B, C und E nach Tabelle 1.1) sind Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 nach DIN EN zu verwenden (siehe Tabelle 2.2). Vorspannverfahren und Anforderungen an die Vorspannung geschraubter Verbindungen sind in DIN EN und im nationalen Anhang zur DIN EN geregelt. Als Vorspannkraft für gleitfeste Verbindungen (Kategorien B und C) und für Verbindungen der Kategorie E ist in der Regel die Mindestvorspannkraft wie folgt anzusetzen: F p,c = 0,7 f ub A s Für die Vorspannung als Qualitätssicherungsmaßnahme und für nicht voll vorgespannte Verbindungen der Kategorie E darf eine Vorspannkraft von bis zu F p,c * = 0,7 f yb A s ausgeführt werden. Sie kann mit den in Tabelle 3.4 aufgeführten Verfahren aufgebracht werden. Die geringere Vorspannkraft F p,c * wird nach - folgend als Regelvorspannkraft und F p,c als volle Vorspannkraft bezeichnet. Für die Sicherung der Garnitur gegen Lockern reicht in der Regel eine reduzierte Vorspannung von 50 % von F p,c * aus. Die volle Vorspannkraft F p,c (70 % der Zugfestigkeit) wird z. B. zur Sicherstellung der Reibungskraft für gleitfeste Verbindungen der Kategorien B und C benötigt, während die Regelvorspannkraft F p,c * (70 % der Streckgrenze) als gebrauchstauglichkeitsorientiert angesehen werden kann. Für vorgespannte Schrauben mit voller Vorspannung F p,c dürfen in der Regel nur Schrauben nach DIN EN (HR) und (HV) mit den zugehörigen Muttern und Scheiben verwendet werden. Zum Aufbringen der vollen Vorspannkraft sind nach DIN EN verschiedene Vorspannverfahren zugelassen. Hierbei sind besonders das Drehmomentverfahren und das kombinierte 17

18 Merkblatt 322 Vorspannverfahren zu nennen. Um vom auf - gebrachten Drehmoment M r Rückschlüsse auf die Vorspannkraft F p,c machen zu können, ist der Einfluss der Schmierung von Schraube und Mutter von Bedeutung. Daher sind die Verfahren in verschiedene k-klassen eingeteilt. In Abhängigkeit von der k-klasse ist der Faktor k m zu bestimmen. Bei der K1-Klasse, geeignet für das kombinierte Vorspannverfahren, liegt der k m -Faktor in der Mitte des vom Schraubenhersteller gewährleisteten Streubands, d. h. zwischen 0,1 < k i < 0,16. Sofern nichts anderes festgelegt ist, kann daher k m = 0,13 vereinfachend angesetzt werden. Bei der K2-Klasse, geeignet für das Dreh - momentverfahren oder das kombinierte Vorspannverfahren, ist der mittlere k m -Faktor individuell und für jede Schraubenlieferung separat zu bestimmen. Er berechnet sich als tatsächlicher, statistisch ermittelter Wert, der bei der Auslieferung angegeben wird. Er liegt in den Grenzen 0,10 < k m < 0,23. Das Referenzdrehmoment M r kann dementsprechend wie folgt bestimmt werden: M r = k m d F p,c Das planmäßig aufzubringende Drehmoment M A,Soll ist für das Drehmomentverfahren bei der K2-Klasse zusätzlich um 10 % gegenüber dem Referenzdrehmoment M r2 zu erhöhen. Eine planmäßige Vorspannung wird meistens mithilfe von Drehmomentschlüsseln aufgebracht, die bei Erreichen eines einstellbaren Drehmoments deutlich knacken, oder mit elek - tronisch geregelten Elektroschraubern. Impulsschrauber sind zum planmäßigen Vorspannen eher nicht geeignet. Die planmäßige Vorspannung wird in der Regel in zwei Schritten auf - gebracht. Der Ablauf des Vorspannens und weitere Hinweise zu den Vorspannverfahren können DIN EN entnommen werden. Darüber hinaus werden in [3] die Vorspannverfahren kritisch beurteilt. Dort wird herausgestellt, dass mit dem kombinierten Vorspannverfahren Voranziehen mit festen Anziehmomenten (0,75 M r1 ) und drehwinkelgesteuertem Nachziehen ein kontrollierteres und gleichmäßigeres Vorspannen der hochfesten Schrauben möglich ist. In Tabelle 3.2 sind die Weiterdrehwinkel für den zweiten Anziehvorgang des kombinierten Verfahrens zusammengestellt. Die Werte in den Klammern beziehen sich auf das Aufbringen der Regelvorspannkraft nach DIN EN /NA mit dem modifizierten kombinierten Verfahren (nur für 10.9-Schrauben). Bei diesem Verfahren besteht eine deutlich ge- ringere Abhängigkeit vom Schmierungsgrad der Schrauben und der Muttern. Es wird daher in [3] empfohlen, das kombinierte Vorspannverfahren anzuwenden. Gemäß NA zur DIN EN sind Verbindungen der Kategorien B, C und E mit dem kombinierten Vorspannverfahren nach DIN EN und der vollen Vorspannkraft F p,c vorzuspannen. Klemmlänge t Während des zweiten Anziehschrittes aufzubringender Weiterdrehwinkel Winkel in [ ] Drehung t < 2 d 60 (45) 1/6 (1/8) 2 d t < 6 d 90 (60) 1/4 (1/6) 6 d t < 10 d 120 (90) 1/3 (1/4) 10 d < t Keine Empfehlung Tabelle 3.2: Weiterdrehwinkel für das kombinierte Vorspannverfahren nach DIN EN (8.8- und 10.9-Schrauben) Das Aufbringen der Regelvorspannkraft F p,c * kann gemäß Anhang A des NA zur DIN EN mit den folgenden Vorspannmaßnahmen erfolgen: Drehimpulsverfahren modifiziertes Drehmomentverfahren modifiziertes kombiniertes Verfahren Einzelheiten zu diesen Verfahren sind in Tabelle 3.3 für Garnituren der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 zusammengestellt. Sie gelten für die k-klasse K1 nach DIN EN Das modifizierte kombinierte Verfahren darf nur für Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 verwendet werden. 3.4 Kontrolle von vorgespannten Verbindungen Zunächst müssen alle Verbindungen mit planmäßig vorgespannten mechanischen Verbindungsmitteln vor Beginn des Vorspannens einer Sichtprüfung unterzogen werden, nachdem sie am örtlich ausgerichteten Tragwerk verschraubt wurden. Ist die Ursache für die Nichtkonformität ein Dickenunterschied in der gleichen Lage, der die in DIN EN Abschnitt 8.1 festgelegten Werte überschreitet, muss die Verbindung durch Futterbleche ergänzt werden. Andere Nichtkon- 18

19 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau Volle Vorspannkraft Regelvorspannkraft Drehimpuls- Modifiziertes Modifiziertes F p,c [kn] F p,c * [kn] verfahren Drehmoment- kombiniertes verfahren Verfahren Einzustellende Aufzubringendes Voranzieh- Vorspannkraft F v,di [kn] Anziehmoment M A [Nm] moment zum Erreichen der zum Erreichen der M A,MKV Regelvorspannkraft Regelvorspannkraft F p,c * F p,c * [Nm] Oberflächenzustand: feuerverzinkt und geschmiert *) oder wie hergestellt und geschmiert *) Schraube M M M M M M M * ) Muttern mit Molybdänsulfid oder gleichwertigem Schmierstoff behandelt. Tabelle 3.3: Volle Vorspannkräfte für das kombinierte Verfahren nach DIN EN und Regelvorspannkräfte sowie Drehimpulsverfahren, modifiziertes Drehmomentverfahren und modifiziertes kombiniertes Verfahren nach DIN EN /NA k-klasse K1 nach DIN EN formitäten dürfen, falls möglich, durch Anpassung der örtlichen Bauteilausrichtung korrigiert werden. Korrigierte Verbindungen sind erneut zu prüfen. Bei den Ausführungsklassen EXC2 bis EXC4 müssen die Vorspannverfahren nach den Regelungen in DIN EN kalibriert und überprüft werden. Nach dem Anziehen ist die Kontrolle der vorgespannten Verbindungen stichprobenhaft durchzuführen. Für Bauwerke der Ausführungsklasse EXC2 sind 5 % aller Verbindungen und für Bauwerke der Klassen EXC3 und EXC4 sind mindestens 10 % aller Verbindungen zu überprüfen. Die Überprüfung erfolgt je nach Vorspannverfahren nach DIN EN Die Einteilung der Stahlkonstruktion in die EXC-Ausführungsklassen erfolgt ebenfalls nach DIN EN Sinnbilder für Schrauben In DIN 407 waren Sinnbilder für Schrauben und Nieten genormt, die z.t. auch in CAD-Programmen verwendet worden sind ist die internationale Norm ISO unverändert in die Deutsche Norm DIN ISO übernommen worden. Danach werden die Schrauben oder Nieten in der Beschriftung angegeben, z. B. 4 M16 x 100 DIN EN ISO (für 4 Passschrauben M16, Länge 100 mm). Zusätzlich zur Produktnorm ist stets die Festigkeitsklasse anzugeben. Dies kann entweder durch eine globale Angabe oder einzeln für jede Schraube erfolgen. In den Zeichnungen wird nach der Darstellung senkrecht zur Achse (Draufsicht) und der Darstellung parallel zur Achse (Schnitt oder Seitenansicht) unterschieden (siehe Tabelle 3.4). 19

20 Merkblatt 322 Bedeutung des Zeichenebene Symbols Senkrecht zur Achse Parallel zur Achse Nicht Senkung auf der Mutterseite Mutterseite Senkung gesenkt Vorderseite Rückseite freigestellt rechts rechts Schraube in der Werkstatt eingebaut Schraube auf der Baustelle eingebaut Schraube auf der Baustelle gebohrt und eingebaut Bei den Sinnbildern für Löcher entfällt der Punkt in der Mitte bzw. in der Ansicht parallel zur Achse die senkrechten Striche. Zusätzlich ist der Lochdurchmesser anzugeben. Tabelle 3.4: Sinnbilder für Löcher und Schrauben nach DIN ISO Kraftübertragung und Tragverhalten 4.1 Vorbemerkungen In den folgenden Abschnitten werden die Kraftübertragung und mögliche Versagensarten bei geschraubten Verbindungen erläutert. Dabei geht es zunächst um die Übertragung von Scheroder Zugkräften durch einzelne Schrauben, ihr Tragverhalten und die gängigen Berechnungsmodelle für normengerechte Nachweise. Danach werden die Berechnung von Schraubenkräften in scherbeanspruchten Verbindungen und die Ermittlung der Tragfähigkeit in Verbindungen mit zugbeanspruchten Schrauben behandelt. 4.2 Scherverbindungen Kategorie A Abb. 4.1: Scherbeanspruchung einer Schraube Scherverbindungen der Kategorie A sind Scher-/Lochleibungsverbindungen, die abgekürzt auch SL-Verbindungen genannt werden (siehe auch Tabelle 1.1). Gemäß Abb. 4.1 werden die äußeren Kräfte durch Kontaktspannungen von den Blechen auf den Schraubenschaft übertragen. Dadurch entstehen im Schraubenschaft Schubspannungen, so dass er durch Scherkräfte beansprucht wird. Bei der SL-Verbindung in Abb. 4.1 wird die Kraft F durch zwei Scherfugen in die außenliegenden Bleche übertragen. Es handelt sich daher um eine zweischnittige Verbindung (m = 2). In der Praxis werden hauptsächlich ein- und zweischnittige, jedoch teilweise auch mehrschnittige Verbindungen ausgeführt. Tabelle 5.3 (siehe Abschnitt 5.4) zeigt die maximalen Scherkräfte F v,rd von Schrauben für eine Scherfuge, die bei zweischnittigen Verbindungen verdoppelt werden müssen. Wegen der Bedeutung für die Bemessung ist die Bestimmung der Scher - fugen in Abb. 4.2 anschaulich dargestellt. Ergänzend zu Abb. 4.1 sind in Abb. 4.2 die auf den Schraubenschaft und auf die Bleche wirkenden Lochleibungsspannungen eingezeichnet. 20

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