Ultimativer Leitfaden für die Befestigung mit hochfesten Schrauben: Jenseits von Drehmomentzahlen

Ein kompletter Leitfaden für die Befestigung mit hochfesten Bolzen: Die Grundlagen verstehen

Das Anziehen von hochfesten Schrauben ist ein wesentlicher Prozess im modernen Stahlbau, aber viele Menschen verstehen ihn nicht ganz. Das Hauptziel beim Anziehen einer Konstruktionsschraube ist nicht das Erreichen eines bestimmten Drehmoments, sondern das Erzeugen der richtigen Klemmkraft, der so genannten Vorspannung. Das Drehmoment ist nur ein indirektes Mittel, um dies zu erreichen, und es ist oft unzuverlässig. Dieser Leitfaden erläutert die grundlegenden Prinzipien, Methoden, wichtigen Faktoren und Prüfverfahren, die erforderlich sind, um die strukturelle Sicherheit durch die richtige Vorspannung zu gewährleisten. Wir erläutern die Wissenschaft hinter der Vorspannung, erklären Standardbefestigungsmethoden, gehen auf häufige Fehler und deren Ursachen ein und skizzieren die Prüf- und Qualitätskontrollschritte, die für sichere und dauerhafte Schraubverbindungen erforderlich sind.

Grundlegende Informationen zur Vorspannung

Um eine hochfeste Schraube zu beherrschen, müssen Sie sich auf die Schraube selbst konzentrieren, nicht nur auf den Schraubenschlüssel. Eine angezogene Schraube funktioniert wie eine sorgfältig gespannte Feder, und das Verständnis dieser Idee ist der Schlüssel zu allem anderen.

Was ist Vorspannung?

Vorspannung ist die Spannung, die in einer Schraube entsteht, wenn die Mutter angezogen wird. Durch diese Spannung wird die Schraube gedehnt, und als Reaktion darauf klemmt die Schraube die verbundenen Stahlteile mit einer starken, messbaren Kraft zusammen. Diese Klemmkraft ist das, was wir wirklich erreichen wollen. Die Vorspannung dient drei Hauptzwecken:

• Sie erzeugt eine enorme Reibungskraft zwischen den Schichten einer Stahlverbindung, die ein Gleiten der Verbindung bei seitlicher Belastung verhindert. So funktioniert eine schlupfkritische Verbindung.
• Es hält die verbundenen Teile in festem, kontinuierlichem Kontakt, sorgt für Steifigkeit und verhindert eine Trennung, wenn die Verbindung Zug- oder Druckkräften ausgesetzt ist.
• Sie verbessert die Lebensdauer der Schraube bei wiederholter Belastung erheblich. Durch die Aufrechterhaltung einer hohen Vorspannung wird die äußere Beanspruchung der Schraube reduziert, so dass Risse nicht entstehen und wachsen können.

Drehmoment, Zugkraft und K-Faktor

Die Beziehung zwischen dem auf eine Mutter aufgebrachten Drehmoment und der daraus resultierenden Schraubenspannung (Vorspannung) folgt dieser Formel: T = K x D x P.

• T = Soll-Drehmoment
• K = Nut-Faktor (auch Reibungskoeffizient genannt)
• D = Bolzendurchmesser
• P = Zielvorspannung (Schraubenspannung)

Diese Formel sieht zwar einfach aus, aber sie zeigt, warum das Drehmoment keine zuverlässige Methode zur Messung der Vorspannung ist. Der "K"-Wert, der Mutterfaktor, ist nicht konstant. Er steht für die Reibung an der Kontaktfläche zwischen Mutter und Stahl und im Gewinde der Schraube und der Mutter. Wichtig ist, dass die Reibung den größten Teil der Energie beim Anziehen verbraucht. Studien zeigen, dass etwa 85-90% des aufgebrachten Drehmoments zur Überwindung der Reibung verwendet werden, während nur 10-15% tatsächlich eine nützliche Schraubenspannung erzeugen.

Der K-Faktor ändert sich in Abhängigkeit von vielen Variablen, z. B. Art und Vorhandensein der Schmierung, Oberflächenbeschaffenheit der Teile, Materialqualität und Gewindezustand. Eine Änderung eines dieser Faktoren führt zu einer Änderung des K-Faktors, d. h. dass dasselbe Drehmoment sehr unterschiedliche Vorspannungswerte erzeugen kann. Aus diesem Grund sind Methoden, die sich nur auf einen Standard-Drehmomentwert stützen, in den wichtigsten Bauvorschriften für Hochspannungsverbindungen nicht zugelassen.

Wichtige Faktoren für die Vorspannung

Um die angestrebte Vorspannung konstant zu erreichen, ist eine strenge Kontrolle aller Teile und Bedingungen der Verbindungselementmontage erforderlich. Die Nichtbeachtung dieser Variablen kann selbst die sorgfältigste Installation unbrauchbar machen.

Warum Schmierung wichtig ist

Die Schmierung ist wahrscheinlich der wichtigste Faktor, um eine korrekte Vorspannung zu erreichen. Hochfeste Schrauben, die z. B. der Norm ASTM F3125 entsprechen, werden mit einem vom Hersteller aufgetragenen Schmiermittel geliefert. Diese Beschichtung sorgt für einen gleichbleibenden K-Faktor und verhindert Fressen, eine Art Kaltverschweißung, die unter hohem Druck zwischen Mutter und Bolzengewinde auftreten kann und zum Festfressen oder Brechen des Bolzens führt.

In der Praxis haben wir festgestellt, dass es erhebliche Unterschiede bei der Vorspannung gibt, wenn dieser Grundsatz nicht beachtet wird. Bei Schrauben, die der Witterung ausgesetzt sind, kann beispielsweise das Schmiermittel ausgewaschen werden, was die Reibung drastisch erhöht und zu einer geringen Vorspannung bei einem bestimmten Drehmoment führt. Andererseits kann die Verwendung eines nicht zugelassenen Schmiermittels, wie z. B. eines herkömmlichen Anti-Seize-Mittels, die Reibung so stark verringern, dass die Schraube überdreht wird und möglicherweise bricht. Die Regel ist einfach: Verwenden Sie Schrauben, Muttern und Unterlegscheiben so, wie sie vom Hersteller geliefert werden, und schützen Sie sie vor Verschmutzung und Witterung.

Komponente Zustand

Vor dem Einbau müssen alle Befestigungsteile einer Sichtprüfung unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie den Projektanforderungen entsprechen und in einwandfreiem Zustand sind.

• Bolzen und Muttern: Achten Sie auf die korrekte Qualität (z. B. A325, A490 oder die neuere Bezeichnung F3125), den Durchmesser und die Länge. Achten Sie darauf, dass sie in geschützten Behältern aufbewahrt werden, um sie vor Schmutz, Rost oder Gewindeschäden zu schützen. Jede Schraube mit sichtbar beschädigtem Gewinde muss weggeworfen werden.
• Unterlegscheiben: Gehärtete Stahlunterlegscheiben (gemäß ASTM F436) sind unter dem zu drehenden Teil (in der Regel die Mutter) erforderlich. Dies bietet eine gleichmäßige, harte und glatte Oberfläche, um die Reibung zu normalisieren. Bei Oberflächen mit einer Neigung von mehr als 1:20 relativ zur Schraubenachse müssen abgeschrägte Unterlegscheiben verwendet werden, um eine quadratische Auflagefläche zu schaffen und ein Verbiegen der Schraube zu verhindern.

Bohrloch und Oberflächenbedingungen

Die Beschaffenheit der zu verbindenden Stahloberflächen, der so genannten Passflächen, wirkt sich direkt auf die langfristige Stabilität der Vorspannung aus. Jedes Material, das sich mit der Zeit zusammendrücken, kriechen oder verformen kann, führt zu einem Verlust der Schraubenspannung. Grate am Rande eines Schraubenlochs müssen entfernt werden. Starke Anstriche, Zunder oder andere Beschichtungen auf den Passflächen von schlupfkritischen Verbindungen sind nach der RCSC-Spezifikation (Research Council on Structural Connections) generell nicht zulässig, es sei denn, ihre Leistungsfähigkeit wurde durch Tests nachgewiesen. Diese Materialien können sich unter der hohen Klemmkraft langsam zusammendrücken, wodurch die Vorspannung nachlässt und die Rutschfestigkeit der Verbindung beeinträchtigt wird.

Technische Befestigungsmethoden

In der Stahlbauindustrie gibt es vier Hauptmethoden, um die erforderliche Mindestvorspannung zu erreichen. Jede Methode beruht auf einem anderen physikalischen Prinzip und hat ihre eigenen Verfahren, Geräte und Prüfanforderungen. Alle Methoden gehen von demselben Punkt aus: dem Zustand "dicht-an-dicht".

Der Zustand der Enge

Der festsitzende Zustand ist der Ausgangspunkt für das endgültige Spannen jeder Hochspannungs- oder schlupfkritischen Verbindung. Er ist definiert als die Festigkeit, die durch den vollen Einsatz einer Person mit einem normalen Schraubenschlüssel erreicht wird, oder als der Punkt, an dem ein Schlagschrauber beginnt, feste Schläge zu liefern. Der Zweck des Vorspannens der Schrauben besteht darin, alle Stahllagen der Verbindung in festen Kontakt zu bringen, Lücken zu beseitigen und sicherzustellen, dass die gesamte Baugruppe fest ist, bevor die endgültige, gemessene Spannung aufgebracht wird. Dies geschieht in der Regel sternförmig oder kreuz und quer, um sicherzustellen, dass die Verbindung gleichmäßig geschlossen wird.

Methode 1: Drehung der Nuss

Diese Methode ist eine der zuverlässigsten, da sie von der vorhersehbaren Geometrie der Schraubendehnung und nicht von der variablen Reibung des Drehmoments abhängt. Nach Erreichen des festsitzenden Zustands verwendet der Monteur einen Permanentmarker, um eine Markierung auf der Mutter, der Schraubenspitze und der angrenzenden Stahloberfläche anzubringen. Diese Markierung dient als visuelle Referenz. Die Mutter wird dann um einen bestimmten Betrag relativ zur Schraube gedreht. Diese erforderliche Drehung wird vom RCSC festgelegt und hängt vom Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser der Schraube ab, wie in der folgenden Tabelle dargestellt.

Methode 2: Kalibrierter Schraubenschlüssel

Bei dieser Methode wird ein drehmomentgesteuerter Schraubenschlüssel verwendet, um einen Soll-Drehmomentwert anzuwenden. Wie bereits erwähnt, ist das Verhältnis zwischen Drehmoment und Spannung ohne Kalibrierung jedoch unzuverlässig. Daher erfordert diese Methode einen kritischen Überprüfungsprozess vor der Installation. Jeden Tag muss eine repräsentative Stichprobe der zu montierenden Schrauben (Schraube, Mutter und Unterlegscheibe) in einem Schraubenspannungskalibrator, wie z. B. einem Skidmore-Wilhelm-Gerät, geprüft werden. Dieses Gerät misst direkt die Vorspannung, die bei einem bestimmten Drehmoment erreicht wird. Der Bediener zieht die Schraube an und zeichnet das Drehmoment auf, das erforderlich ist, um eine Vorspannung zu erreichen, die etwas höher ist als die erforderliche Mindestvorspannung. Dieser Drehmomentwert wird zum Installationsdrehmoment auf der Baustelle für dieses spezifische Schraubenlos und nur für diesen Tag.

Methode 3: Twist-Off-Schrauben (TC)

Twist-Off-Schrauben, auch bekannt als Spannkontrollschrauben, sind eine spezielle Baugruppe, die für eine schnelle Installation und Inspektion ausgelegt ist. Die Schraube hat ein verzahntes Ende, das über den Gewindeteil hinausragt. Für den Einbau wird ein spezieller elektrischer Scherenschlüssel verwendet. Der Schlüssel hat zwei konzentrische Steckschlüsseleinsätze: einen äußeren, der die Mutter dreht, und einen inneren, der die Keilnut hält. Beim Anziehen der Mutter nimmt der Widerstand zu, bis er einen bestimmten Wert erreicht, bei dem die Drehmomentbelastung das verzahnte Ende der Schraube abschert. Dies ist eine direkte und zuverlässige Anzeige dafür, dass die erforderliche Spannung erreicht wurde.

Methode 4: Direkte Spannungsindikatoren (DTIs)

Direct Tension Indicators sind spezielle, gehärtete Unterlegscheiben mit erhöhten Erhebungen auf einer Seite. Die DTI wird unter den Schraubenkopf oder die Mutter gelegt, wobei die Erhebungen an einer harten, flachen Oberfläche anliegen (in der Regel eine gehärtete Standardscheibe F436). Wenn die Schraube angezogen wird, werden diese Erhebungen durch die Klemmkraft abgeflacht. Der Einbau ist abgeschlossen, wenn der verbleibende Spalt auf einen bestimmten Wert reduziert ist, der von einem Prüfer mit einer Fühlerlehre überprüft wird. Wenn die Lehre nicht in den Spalt eindringen kann, ist die Schraube ordnungsgemäß vorgespannt. Einige DTIs, die so genannten Squirting DTIs, sind mit einem leuchtend orangefarbenen Silikon gefüllt, das bei Erreichen der korrekten Spannung ausgestoßen wird und einen sofortigen visuellen Hinweis gibt.

Vergleich der Methoden

Die Wahl der richtigen Methode hängt von den Projektanforderungen, der Verfügbarkeit der Ausrüstung, der Erfahrung der Mitarbeiter und den Inspektionsverfahren ab. Die folgende Tabelle bietet einen Vergleich.

Tabelle 1: Vergleich hochfester Bolzenbefestigungsverfahren

Wie sich Gelenke verhalten und warum sie versagen

Eine ordnungsgemäß installierte Schraube ist nur der Anfang. Das Verständnis dafür, wie sich eine Verbindung während ihrer Lebensdauer verhält und wie eine unsachgemäße Befestigung zum Versagen führt, ist für jeden Baufachmann unerlässlich.

Vorspannungsverlust über die Zeit

Die Vorspannung ist nicht immer dauerhaft. Nach dem Einbau kommt es zu einem gewissen Spannungsverlust, der als Relaxation bezeichnet wird. Es muss sichergestellt werden, dass auch nach diesem Verlust die verbleibende Vorspannung für die Konstruktionsanforderungen der Verbindung ausreichend ist. Die Hauptursachen sind:

1. Einbettung: Unmittelbar nach dem Anziehen flachen die winzigen Erhebungen auf den Gewindeflächen und unter der Mutter und dem Schraubenkopf unter dem immensen Auflagedruck ab. Diese leichte plastische Verformung führt zu einem kleinen, aber vorhersehbaren Verlust der Schraubendehnung und damit der Vorspannung.
2. Lockerung durch Vibration: Bei Gelenken, die Vibrationen oder wiederholten Belastungen ausgesetzt sind, insbesondere bei solchen mit seitlicher Bewegung, kann sich die Mutter allmählich zurückdrehen und einen erheblichen Verlust an Vorspannung verursachen. Eine hohe Vorspannung ist der beste Schutz dagegen, da sie die Reibung erhöht, die diesem Rückdrehen entgegenwirkt.
3. Kriechen der Dichtung/Spannungsabbau: Bei Verbindungen mit Dichtungen oder anderen weichen Materialien oder bei Verbindungen, die bei hohen Temperaturen arbeiten, können sich die Materialien im Laufe der Zeit langsam verformen oder "kriechen", wodurch sich der Klemmabstand verringert und die Vorspannung abnimmt.

Häufige Ursachen für das Versagen von Bolzen

Nahezu alle Schraubenversagen bei strukturellen Anwendungen lassen sich auf eine einzige Ursache zurückführen: falsche oder unzureichende Vorspannung.

• Ermüdungsversagen: Dies ist die häufigste Versagensart von Schrauben bei wiederholter Belastung. Eine Schraube mit geringer Vorspannung erfährt einen großen Teil der wiederholten externen Belastung, wodurch sie hohen Spannungszyklen ausgesetzt ist, die zur Rissbildung und schließlich zum Bruch führen. Eine Schraube mit hoher Vorspannung erfährt nur einen kleinen Teil dieser externen Belastungszyklen, wodurch die Spannung niedrig gehalten und die Lebensdauer drastisch verlängert wird.
• Schlupf der Verbindung: Bei einer schlupfkritischen Verbindung ist die Konstruktion darauf angewiesen, dass die Klemmkraft aus der Vorspannung genügend Reibung erzeugt, um den Scherkräften zu widerstehen. Wenn die Vorspannung unter dem angegebenen Minimum liegt, ist die Klemmkraft unzureichend. Unter einer Bemessungslast kann die Reibung überwunden werden, und die Verbindung rutscht ins Lager, was ein Versagen der Gebrauchstauglichkeit darstellt und bei dieser Verbindungsart nicht zulässig ist.
• Wasserstoffversprödung: Hochfeste Schrauben (in der Regel solche mit einer Zugfestigkeit von mehr als 150 ksi, wie z. B. die Sorte A490) sind für diesen Versagensmechanismus anfällig. Obwohl dies in erster Linie eine Frage des Materials und der Herstellung ist, können die Bedingungen vor Ort das Risiko noch erhöhen. Wasserstoffatome können aus Quellen wie Galvanisierungsprozessen oder korrosiven Umgebungen eingeführt werden. Diese Atome wandern in Bereiche mit hoher Spannung - wie z. B. die Gewindeansätze einer gespannten Schraube - und verursachen einen zeitverzögerten, spröden Bruch ohne Vorwarnung oder Verformung.

Kontrolle und Inspektion

Qualitätssicherung ist nicht optional, sondern ein wesentlicher Bestandteil des hochfesten Verschraubungsprozesses. Die wichtigsten bautechnischen Vorschriften erfordern spezielle Prüf- und Inspektionsverfahren, um die öffentliche Sicherheit zu gewährleisten.

Überprüfung vor der Installation

Vor Beginn der Verschraubung eines Projekts muss ein Rotationstest (RC) durchgeführt werden. Diese Prüfung ist in der RCSC-Spezifikation für jedes Los von Verbindungselementen mit Rotationsfähigkeit vorgeschrieben. Eine Stichprobe von Baugruppen (eine Schraube, eine Mutter und eine Unterlegscheibe aus denselben Losen) wird in einem Spannungskalibrator getestet. Bei diesem Test werden zwei Dinge überprüft: Erstens, ob das Schmiermittel korrekt funktioniert, und zweitens, ob die Baugruppe mindestens 10% mehr als die erforderliche Mindestvorspannung erreichen kann, ohne zu reißen oder zu brechen. Wird der RC-Test nicht bestanden, muss die gesamte Charge des Verbindungselements unter Quarantäne gestellt und zurückgewiesen werden.

Regelmäßige Inspektion der Anlage

Während des Einbaus besteht die Hauptaufgabe des Inspektors darin, die Verschraubungsteams zu beobachten. Der Inspektor muss sich vergewissern, dass die Teams bei jeder Schraube systematisch das gewählte und genehmigte Montageverfahren anwenden. Dazu gehört die Überprüfung, ob die Oberflächen vorbereitet sind, die Komponenten korrekt sind, das Verschraubungsmuster eingehalten wird und die endgültige Spannmethode konsequent und korrekt angewendet wird.

Inspektion nach der Installation

Nach dem Einbau und dem Spannen der Schrauben ist eine Endkontrolle erforderlich. Die spezifischen Maßnahmen hängen von der verwendeten Installationsmethode ab. Ein Drehmomentschlüssel wird für die Inspektion nicht verwendet, es sei denn, die Installationsmethode war die Methode des kalibrierten Schlüssels.

Tabelle 2: Zusammenfassung der Inspektion nach der Installation

Gemeinsame Probleme lösen

Selbst bei gut definierten Verfahren kann es vor Ort zu Problemen kommen. Ein erfahrener Fachmann kann diese häufigen Probleme schnell diagnostizieren und beheben.

Problemlösungs-Leitfaden

Die folgende Tabelle bietet eine Kurzanleitung für häufige Probleme vor Ort, deren wahrscheinliche Ursachen und effektive Lösungen. Dieser Leitfaden ist das Ergebnis jahrelanger Beobachtung und Problemlösung bei Stahlbauprojekten vor Ort.

Tabelle 3: Problemlösungsleitfaden für die Befestigung mit hochfesten Bolzen

Zusammenfassung

Die erfolgreiche Befestigung von hochfesten Schrauben ist ein systematischer technischer Prozess, bei dem es nicht darum geht, Schrauben wahllos anzuziehen. Die gesamte Disziplin wird von dem einzigen, entscheidenden Prinzip der Erreichung einer Zielvorspannung bestimmt. Durch das Verständnis der Wissenschaft, die zwischen Drehmoment und Spannung unterscheidet, die sorgfältige Kontrolle von Variablen wie Schmierung und Komponentenzustand und die gewissenhafte Anwendung und Überprüfung einer der in der Branche anerkannten Installationsmethoden können wir sicherstellen, dass jede Schraube ihre Funktion als präzise, hochfeste Feder erfüllt. Dieser technische, detailorientierte Ansatz ist keine Frage der Vorliebe, sondern von grundlegender Bedeutung für die Sicherheit, Haltbarkeit und langfristige Leistungsfähigkeit der Stahlkonstruktionen, die das Rückgrat unserer modernen Welt bilden.

• https://www.aisc.org/ Amerikanisches Institut für Stahlbau (AISC)
• https://www.boltcouncil.org/ Forschungsrat für strukturelle Verbindungen (RCSC)
• https://www.astm.org/ ASTM International - Normen für Konstruktionsbolzen
• https://www.iso.org/ ISO - Internationale Organisation für Normung
• https://www.portlandbolt.com/ Portlandbolzen - ASTM F3125 Technische Ressourcen
• https://galvanizeit.org/ Amerikanischer Galvaniseurverband - RCSC-Spezifikationsaktualisierungen
• https://www.structuremag.org/ STRUCTURE Magazin - Tragwerksplanung
• https://www.cisc-icca.ca/ Kanadisches Institut für Stahlbau
• https://en.wikipedia.org/wiki/Structural_engineering Wikipedia - Bauingenieurwesen
• https://www.sciencedirect.com/ ScienceDirect - Strukturelle Verbindungsforschung