Geschraubte Verbindungen Im Stahlbau

Merkblatt 322

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

Stahl-Informations-Zentrum

Merkblatt 322

Stahl-Informations-Zentrum

 Veranstaltungen und bietet einen Überblick  über die Veröffentlichungen des Stahl-Informa-

Das Stahl-Informations-Zentrum ist eine tions-Zentrums. Publikationen können hier Gemeinschaftsorganisation Stahl erzeugender  bestellt oder als PDF-Datei heruntergeladen und verarbeitender Unternehmen. Markt- und  werden. Anmeldungen zu Veranstaltungen sind anwendungsorientiert werden firmenneutrale ebenfalls online möglich. Informationen über Verarbeitung und Einsatz Der Newsletter informiert Abonnenten per  des Werkstoffs Stahl bereitgestellt. E-Mail über Neuerscheinungen, Veranstaltungen  Verschiedene Schriftenreihen  bieten ein und Wissenswertes. breites Spektrum praxisnaher Hinweise für  Konstrukteure, Entwickler, Planer und VerVer -

arbeiter von Stahl. Sie finden auch Anwendung in Ausbildung und Lehre.

Impressum

 Vortragsveranstaltungen  schaffen ein Merkblatt 322 Forum für Erfahrungsberichte aus der Praxis. „Geschraubte Verbindungen im Stahlbau“ Messen und Ausstellungen  dienen der   Ausgabe 2012, 2012, ISSN 0175-2006 Präsentation neuer Werkstoffentwicklungen und innovativer, zukunftsweisender Stahlan- Herausgeber: Stahl-Informations-Zentrum, Postfach Postf ach 10 48 42, 40039 Düsseldo Düsseldorf  rf   wendungen.  Als individueller Service  werde  werden n auch KonKontakte zu Instituten, Fachverbänden sowie Spezia-  Autoren: Prof. Dr.-Ing. Rolf Kindmann, listen aus Forschung und Industrie vermittelt. Die Pressearbeit  richtet sich an Fach-, Ruhr Universität Bochum, Tages- und Wirtschaftsmedien und informiert Lehrstuhl für Stahl-, Holz- und Leichtbau

kontinuierlich über neue Werkstoffentwicklungen und -anwendungen -anwendungen.. Das Stahl-Informations-Zentrum zeichnet besonders innovative Anwendungen mit dem

Prof. Dr.-Ing. Jan Vette, Fachhochschule Münster, Fachbereich Bauingenieurwesen

Stahl-Innovationspreis (www.stahl-innovations preis.de ) aus. Er ist einer der bedeutendsten

Redaktion: Stahl-Informations-Zentrum

 Wettbewerbe seiner Art und  Wettbewerbe und wird alle drei Jahre Jahre ausgelobt.

Ein Nachdruck dieser Veröffentlichung ist – auch auszugsweise – nur mit schriftlicher Ge-

Die Internet-Präsentation  (www.stahlinfo.de) informiert über aktuelle Themen und

nehmigung des Herausgebers und bei Quellenangabe gestattet. Die zugrunde liegenden Informationen wurden mit größter Sorgfalt recherchiert und redaktionell bearbeitet. Eine Haftung ist jedoch ausgeschlossen.

Mitglieder des Stahl-Informations-Zentrums:

• AG der Dillinger Hüttenwerke Hüttenwerke • ArcelorMittal Bremen GmbH • ArcelorMittal Commercial Commercial RPS RPS S.à.r.l. • ArcelorMittal Duisburg GmbH • ArcelorMittal Eisenhüttenstadt GmbH • Benteler Steel Steel Tube GmbH • Bölli Böllinghau nghauss Steel GmbH • Gebr. Meiser Meiser GmbH GmbH • Georgsmarienhütte GmbH • Outok Outokumpu umpu VDM GmbH GmbH • Saarst Saarstahl ahl AG • Salzg Salzgitter itter AG • ThyssenKrupp Bautechnik GmbH • ThyssenKrupp Electrical Steel Steel GmbH • ThyssenKrupp Rasselstein GmbH • ThyssenKrupp Steel Europe AG • Wickeder Westfalenstahl GmbH GmbH

2

DIN-Normen:  Wiedergegeben mit Erlaubnis

des DIN DIN Deutsches Deutsches Insti Institut tut für Normun Normungg e.V. e. V. Maßgebend für das Anwenden der DIN-Norm ist die Fassung mit dem neuesten AusgabeAusgabe -

datum, die bei der Beuth Verlag GmbH, BurgBurg grafenstraße grafen straße 6, 10787 Berlin, erhältlich ist. Inhalt

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Seite Einl Ei nlei eitu tung ng und und Übers Übersic icht ht .. .... ..... ..... ..... ..... .... ..... ..... .... ..... ... 2 Schr Sc hrau aube ben, n, Mut Mutte tern rn un und d Sch Schei eibe ben n .. .... .... .... .... .... .. 7 Hers He rste tell llen en von von geschraub gesc hraubten ten Verbindungen Verbindungen ..... .......... .......... .......... ....... 16 Kraftü Kr aftüber bertra tragun gungg und und Tra Tragve gverha rhalte lten n ... ....... ...... 20 Beme Be mess ssun ungg nach nach DIN EN EN 19931993-11-8 8 ... ...... ...... ..... .. 25 Bemess Bem essung ungsbe sbeisp ispiel ielee nach DIN EN 1993-1-8 ....... .............. .............. .............. ......... .. 33 Norme No rmen n .... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ........ ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ... 38 Literat Lit eratur ur ... ....... ........ ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ...... ... 39

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Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

1 Ei Einl nlei eitu tung ng un undd Üb Über ersi sich chtt 1.1 Ein Einfüh führun rungg 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, stiftarti stiftartigen gen 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 18800 stehen Scher-/LochleibungsverbinScher-/Lochleibungsverbindungen im Vordergrund, was dort insbesondere durch die Einteilung in sechs Ausführungsformen  von geschraubten Verbindungen Verbindungen deutlich wird. In DIN EN 1993-1-8, die die DIN 18800 abgelöst hat, werden scher- und zugbeanspruchte Verbindungen mit Schrauben gleichrangig behandelt. Grundlage der folgenden Ausführungen ist die DIN EN 1993-1-8 in Verbindung mit dem nationalen Anhang für Deutschland. Darüber hinaus  werden die die aktuellen aktuellen Produktnormen Produktnormen für Schrauben und die DIN EN 1090-2 herangezogen. herangezogen. 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 Vor-

schriften 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 2.5.

1.2 Inhal Inhaltt der der Kapit Kapitel el 1.2.1 Einleit Einleitung ung und Übersic Übersicht ht Nach einer allgemeinen Einführung in die Thematik wird die prinzipielle Vorgehensweise bei der Bemessung geschraubter Verbindungen anhand eines Einführungsbeisp Einführungsbeispiels iels beschrieben, beschrie ben, und es wird auf Grundsätze für die konstruktive  Ausbildung und die Berechnungen hingewiesen. Darüber hinaus werden die Kategorien für geschraubte Verbindungen nach DIN EN 1993-1-8 und die verwendeten Bezeichnungen zusammengestellt. zusammen gestellt.

1.2.2 Schra Schrauben, uben, Muttern und und Scheiben Scheiben Dieses Kapitel enthält Informationen zu den Produkten, die in Schraubengarnituren zu  verwenden sind. Im Wesentlichen geht es dabei um die entsprechende entsprechenden n Normen, Abmessungen und Festigkeiten.

1.2.3 1.2 .3 Her Herste stellun llungg Die Herstellung geschraubter Verbindungen  wird erläutert, aber auch die Darstellung auf  Zeichnungen vermittelt, und es werden Hin weise zum Korrosionsschu Korrosionsschutz tz und zur Vorspannung gegeben.

1.2.4 Kraftü Kraftübertra bertragung gung und Tragverha Tragverhalten lten Das Kapitel enthält Erläuterungen zur Berechnung von Kräften in den Schrauben einer   Verbindung, zur Übertragung der Schnittgrößen und zum Tragverhalten einzelner Schrauben.

1.2.5 Bemes Bemessung sung nach nach DIN EN 1993-11993-1-88 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 1993-1-8.

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Merkblatt 322 1.2.6 Beme Bemessungsbe ssungsbeispiele ispiele Mithilfe von sechs Bemessungsbeispielen  wird die Durchführung Durchführung der erforderlichen erforderlichen Nach weise erläutert.

1.3 Einfü Einführung hrungsbeis sbeispiel piel Bei der konstruktiven Ausbildung und der  Bemessung geschraubter Verbindungen sind die folgenden Grundsätze zu beachten: – Stöße und und Anschlüsse Anschlüsse sollen sollen gedrun gedrungen gen ausgebildet werden. – Es ist eine unmittelbare und symmetrische Stoßdeckung anzustreben. – V ersatzmomente ersatzmomente 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

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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 Zunäc hst sollte sollte man man – entsp entsprech rechend end den den o.g. o. g. Grundsätzen Grundsätzen – die Teilschnittgröße Teilschnittgrößen n in den Einzelteilen des Querschnitts infolge N, M und  V ermitteln und dann festlegen, wie diese Teilschnittgrößen durch die Schrauben übertragen  werden sollen. sollen. Beim klassischen Laschenstoß, siehe  Abb. 1.1b, 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. 1.1 c dargestellte dargestellten n Stirnplattenstoß wird der Obergurt infolge N und M durch eine Druck normalkraft normalkraft beansprucht. Sie kann unmittelbar durch die Stirnplatten und Druckkontaktkräfte übertragen werden. Im Zug-Untergurt ergibt sich infolge N und M eine eine Zug normalkraft, so dass die Schrauben im Bereich  des Untergurtes durch Zugkräfte beansprucht  werden. Die Tragfähigkeit des Stirnplattenstoßes wird in der der Regel unter Verwendun Verwendungg des „T-Stummel-Modells“ ermittelt (siehe Abschnitt 5.12). Aufgrund der Zugbeanspruchung in den Schrauben wird der Stirnplattenstoß gemäß DIN EN 1993-1-8 den Kategorien D oder E zuzu 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.

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

Kategorie

Nachweiskriterium

Anmerkungen

Scherverbindungen (scherbeanspruchte Schrauben)  A Scher-/Lochleibungsverbindungen

Fv,Ed ≤ Fv,Rd F v,Ed ≤ Fb,Rd

Keine Vorspannung erforderlich. Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9 dürfen verwendet werden.

B Gleitfeste Verbindungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit

Fv,Ed,ser ≤ Fs,Rd,ser F v,Ed ≤ Fv,Rd F v,Ed ≤ Fb,Rd

In der Regel sind hochfeste Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 oder 10.9 zu verwenden. Gleitwiderstand für die Gebrauchstauglichkeit.

Fv,Ed ≤ Fs,Rd F v,Ed ≤ Fb,Rd Σ Fv,Ed ≤ Nnet,Rd

In der Regel sind hochfeste Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 oder 10.9 zu verwenden. Gleitwiderstand für die Tragfähigkeit.

C Gleitfeste Verbindungen im Grenzzustand der Tragfähigkeit

Tabelle 1.1: Kategorien von geschraubten Verbindungen nach DIN EN 1993-1-8

Zugverbindungen (zugbeanspruchte Schrauben) D Nicht vorgespannt

Ft,Ed ≤ Ft,Rd Ft,Ed ≤ Bp,Rd

Keine Vorspannung erforderlich. Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9 dürfen verwendet werden. Bp,Rd siehe Abschnitt 5.5.

E  Vorgespannt

Ft,Ed ≤ Ft,Rd Ft,Ed ≤ Bp,Rd

In der Regel sind hochfeste Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 oder 10.9 zu verwenden. Bp,Rd siehe Abschnitt 5.5.

Fv,Rd Fb,Rd Fs,Rd,ser Fs,Rd Ft,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 1993-1-8

 b) Kategorie B: Gleitfeste Verbindungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit  Geschraubte Verbindungen werden gemäß DIN EN 1993-1-8 in die Kategorien A bis E einZu dieser Kategorie gehören hochfeste geteilt. Die Kategorien beziehen sich auf die Bean- Schrauben, die kontrolliert vorgespannt werden. spruchung der Schrauben (Abscheren oder Zug) Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit darf  und Varianten in der Ausführung (gleitfest, vor- in der Regel kein Gleiten auftreten. Der Begespannt, handfest angezogen). Weitere Einzel- messungswert der einwirkenden Scherkraft im heiten können Tabelle 1.1 entnommen werden. Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit darf in der Regel den Bemessungswert des GleitwiderGeschraubte Verbindungen mit scher be- standes nicht überschreiten. Der Bemessungsanspruchten Schrauben werden in der Regel  wert der einwirkenden Abscherkraft im Grenzfür die Bemessung in folgende Kategorien zustand der Tragfähigkeit darf in der Regel den unterteilt: Bemessungswert der Schertragfähigkeit und des Lochleibungswiderstandes nicht überschreiten. a) Kategorie A: Scher-/Lochleibungsverbindungen  c) Kategorie C: Zu dieser Kategorie gehören Schrauben der  Gleitfeste Verbindungen im GrenzFestigkeitsklassen 4.6 bis 10.9. Vorspannung zustand der Tragfähigkeit  und besondere Oberflächenbehandlungen sind Zu dieser Kategorie gehören hochfeste in der Regel nicht erforderlich. Der Bemessungs- Schrauben, die kontrolliert vorgespannt werden.  wert der einwirkenden Scherkraft darf weder  Im Grenzzustand der Tragfähigkeit darf kein den Bemessungswert der Schertragfähigkeit Gleiten auftreten. Der Bemessungswert der einnoch den Bemessungswert des Lochleibungs-  wirkenden Scherkraft im Grenzzustand der Trag widerstandes überschreiten, siehe Abschnitt 5.4. fähigkeit darf den Bemessungswert des Gleit-

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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 1993-1-1, 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 zugbeanspruchten 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 10.9. 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 beansprucht, so dass dann auch die Kombination nachzuweisen ist. Einzelheiten zur Kraftübertragung und zum Tragverhalten werden in Kapitel 4 vermittelt, Einzelheiten zur Bemessung nach DIN EN 1993-1-8 in Kapitel 5.

1.5 Bezeichnungen Schrauben, Muttern und Scheiben  d Schraubendurchmesser  d1 Kerndurchmesser d2 Flankendurchmesser d0 Lochdurchmesser  Dd Lochspiel

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 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 Fb Lochleibungskraft pro Schraube Ft Zugkraft pro Schraube t Blechdicke ∑ t Klemmlänge ts 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  gM0 Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruchbarkeit von Querschnitten gM1 Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruchbarkeit von Bauteilen bei Stabilitätsversagen gM2 Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruchbarkeit von Querschnitten bei Bruchversagen infolge Zugbeanspruchung gF Teilsicherheitsbeiwert für Einwirkungen m Reibungszahl σ Normalspannung Schubspannung  t f u Zugfestigkeit f  y  Streckgrenze Indizes f Flansch (engl.: flange)  w Steg (engl.: web) Ed Bemessungswert der Einwirkung Rd Bemessungswert der Beanspruchbarkeit

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

2 Schrauben, Muttern und Scheiben 2.1 Normen

In Klammern ist jeweils das Ausgabedatum der zurzeit aktuellen Norm angegeben (z.B. 2011-10). Darüber hinaus ist für die Ausführung von Stahlbauten und somit auch für geschraubte Verbindungen von Bedeutung: • DIN EN 1090-2: Ausführung von Stahltrag werken und Aluminiumtragwerken – Teil 2: Technische Regeln für die Ausführung von Stahltragwerken (2011-10)

Die DIN EN 1993-1-8 umfasst die folgenden Bezugsnormen hinsichtlich der Schrauben, Muttern und Unterlegscheiben: • DIN EN 14399: Hochfeste planmäßig vorspannbare Schraubenverbindungen für den Metallbau – Teil 1: Allgemeine Anforderungen (2006-06) In der Ausführungsnorm DIN EN 1090-2 – Teil 2: Prüfung der Eignung zum  wird ergänzend auf die folgenden Normen ver Vorspannen (2006-06)  wiesen, die geschraubte Verbindungen betreffen: – Teil 3: System HR – Garnituren aus Sechs• DIN EN 14399: Hochfeste planmäßig vorkantschrauben und -muttern (2006-06) spannbare Schraubenverbindungen für den – Teil 4: System HV – Garnituren aus SechsMetallbau kantschrauben und -muttern (2006-06) – Teil 7: System HR – Garnituren aus Senk– Teil 5: Flache Scheiben (2006-06) schrauben und Muttern (2008-03) – Teil 6: Flache Scheiben mit Fase (2006-06) – Teil 8: System HV – Garnituren aus Sechs• DIN EN 20898-2: Mechanische Eigenschaften kant-Passschrauben und Muttern (2008-03)  von Verbindungselementen – Teil 2: Muttern – Teil 9: System HR oder HV – Direkte Kraftmit festgelegten Prüfkräften; Regelgewinde anzeiger für Garnituren aus Schrauben und (1994-02) Muttern (2009-07) • DIN EN ISO 898-1: Mechanische Eigenschaf– Teil 10: System HRC – Garnituren aus ten von Verbindungselementen aus KohlenSchrauben und Muttern mit kalibrierter  stoffstahl und legiertem Stahl – Teil 1: Schrau Vorspannung (2009-07) ben mit festgelegten Festigkeitsklassen – Regel- • DIN EN 15048: Garnituren für nicht planmäßig gewinde und Feingewinde (2009-08)  vorgespannte Schraubenverbindungen für den Metallbau • DIN EN ISO 4014: Sechskantschrauben mit Schaft – Produktklassen A und B (2011-06) – Teil 1: Allgemeine Anforderungen (2007-07) • DIN EN ISO 4016: Sechskantschrauben mit – Teil 2: Eignungsprüfung (2007-07) Schaft – Produktklasse C (2011-06) • DIN EN ISO 4017: Sechskantschrauben mit Die aufgeführten, übergeordneten RegelGewinde bis Kopf – Produktklassen A und B  werke DIN EN 14399-1 und DIN EN 15048-1 (2011-07) sind in der Bauregelliste B enthalten, so dass • DIN EN ISO 4018: Sechskantschrauben mit auch nationale Produkte nach DIN-Normen, Gewinde bis Kopf – Produktklasse C (2011-07) die den Konformitätsnachweis dieser Normen • DIN EN ISO 4032: Sechskantmuttern, Typ 1 – erfüllen, in Deutschland gehandelt werden dürProduktklassen A und B (2012-05) fen und die CE-Kennzeichnung tragen. • DIN EN ISO 4033: Sechskantmuttern, Typ 2 – Produktklassen A und B (2012-05) • DIN EN ISO 4034: Sechskantmuttern – Pro- 2.2 Schraubenformen und -arten duktklasse C (2012-06) • DIN EN ISO 7089: Flache Scheiben – Normale 2.2.1 Beschreibung einer Reihe, Produktklasse A (2000-11) geschraubten Verbindung • DIN EN ISO 7090: Flache Scheiben mit Fase – Normale Reihe, Produktklasse A (2000-11) Eine Schraube besteht aus dem Kopf und • DIN EN ISO 7091: Flache Scheiben – Normale dem Schaft, siehe  Abb. 2.1. Der Schaft hat beReihe, Produktklasse C (2000-11) reichsweise 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).

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Merkblatt 322 spannte, auf Zug beanspruchte Schrauben gemäß Abschnitt 3.3.2 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 Schraubennormen DIN EN 14399-1 und DIN EN 15048-1 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. 2.1: 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 Kerb wirkung. Insgesamt werden die Schrauben zusammen mit den Muttern und den zugehörigen Scheiben als Schraubengarnitur  bezeichnet, siehe  Abb. 2.2.  Während nach den alten, deutschen Regelungen die Klemmlänge als Summe der als Klemmpaket verbundenen Bleche definiert war  (jetzt Klemmpaketdicke ts ), wird nach den europäischen Regelungen die Klemmlänge als Länge zwischen Schraubenkopf und Mut ter  definiert, siehe Abb. 2.2. Die Klemmlänge ist daher gleich der Dicke des Klemmpakets einschließlich der Dicke der Scheiben. Gemäß DIN EN 1993-1-1 wird zwischen planmäßig vorgespannten  und planmäßig  nicht vorgespannten Schraubenverbindungen  unterschieden. Vorgespannte Verbindungen bestehen in der Regel aus planmäßig vorspannbaren Schraubengarnituren.  Vorge-

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 Abb. 2.2: Schraubengarnitur mit KlemmpaketBezeichnungen

2.2.2 Gewinde Die im Stahlbau verwendeten Schrauben und Muttern haben ein metrisches Gewinde nach DIN ISO 724. Die Gewindetoleranzen sind in DIN ISO 965-1 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) d2: Flankendurchmesser  d1: Kerndurchmesser 

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.

2.2.3 Schraubenköpfe und -schäfte

Nähere Informationen hierzu sind in DIN EN 15048-1 und bezüglich des Eignungsnachweises in DIN EN 15048-2 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 entnommen werden. Bemerkenswert ist, dass neben den Schrauben mit glattem Schaft auch die Schrauben mit Ge winde bis zum Kopf verwendet werden können. Die Angaben hierzu finden sich  ebenfalls in Tabelle 2.1. Hochfeste Schraubengarnituren, die den  Anforderungen in DIN EN 14399-1 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 14399-2 vorgeschrieben. Nach  DIN EN 14399 werden vorspannbare Schrauben in HV-Schrauben (mit kurzem Gewinde) und HRSchrauben (mit mittellangem Gewinde) unterschieden. Vorspannbare Schraubengarnituren

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 Produktnorm Gewindelänge z.B. die Schlüsselweite s und die Gewindelänge b b sind vom Durchmesser des Schraubenschaftes d abhängig. Schraubengarnituren, die für nicht vorgeDIN 7990 Kurz spannte Schraubenverbindungen (Kategorien ≈ (1,4 bis 1,6) · d DIN 7968 1)  A und D gemäß Tabelle 1.1) geeignet sind, werden in der übergeordneten DIN EN 15048-1 geregelt. Darüber hinaus werden die Schrauben DIN EN ISO 4014 Mittellang in Produktklassen eingeordnet. ≈ (2,2 bis 2,5) · d Für nicht vorgespannte Schraubengarnituren DIN EN ISO 4016 können sämtliche Produktnormen herangezogen  werden, wenn sie den Konformitätsnachweis DIN EN ISO 4017 Lang nach DIN EN 15048-1 erfüllen. Dafür muss die ≈ℓ Übereinstimmung der Komponenten und GarDIN EN ISO 4018 nituren mit den dort angegebenen Anforderun1) Passschraube mit d = d + 1 mm. s gen nachgewiesen werden. Diese umfassen eine Erstprüfung und die werkseigene Produktionskontrolle durch den Hersteller, einschließlich  Tabelle 2.1: Schrauben für nicht vorspannbare  Schraubenverbindungen der Beurteilung des Produktes.

Produktklasse

Festigkeitsklasse 4.6, 5.6

C 5.6 ≤ M24: A > M24: B

5.6, 8.8, 10.9

C

4.6

≤ M24: A > M24: B

5.6, 8.8, 10.9

C

4.6

9

Merkblatt 322

Produktnorm

Bez.

Gewindelänge b

Produktklasse

Festigkeitsklasse

DIN EN 14399-3

HR

Mittellang ≈ (2,2 – 3,3) · d

B

8.8, 10.9

DIN EN 14399-4

HV

Kurz ≈ (1,4 – 1,9) · d

B

10.9

DIN EN 14399-81)

HV

Kurz ≈ (1,4 – 1,9) · d

B

10.9

1)

Passschraube mit ds = d + 1 mm. Tabelle 2.2: Schrauben für vorspannbare Schraubenverbindungen

 Abb. 2.4:  Verbindung mit einer Senkschraube

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 vorgespannt) und DIN EN 14399-8 (vorspannbar)  werden nach DIN EN 1993-1-8 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 14399-7 (siehe  Abb. 2.4 ) und HRC-Schrauben nach DIN EN 14399-10.  Aufgrund ihrer eher untergeordneten Bedeutung  werden sie hier nur der Vollständigkeit halber  erwähnt.

10

2.2.4 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 Schlüssel weite 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 vorspannbare Schraubengarnituren, auf Schraubenköpfen und Muttern dargestellt. Die Kennzeichnung der Festigkeitsklasse für Schrauben er folgt durch zwei Zahlen, z.B. 4.6. 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 1993-1-8 nur Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 8.8 und 10.9 in Frage. Für die Muttern

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

Produktnorm

      r       a         b       n       n       a       p       s       r       o       v

       t        h       c        i        N

      r       a         b       n       n       a       p       s       r       o         V

DIN EN ISO 4032 DIN EN ISO 4034 DIN EN ISO 4033 DIN EN 14399-3 („HR“) DIN EN 14399-4 („HV“)

Mutternhöhe

Mittel m ≈ 0,9 · d Groß m ≈ d

Produktklasse

Festigkeitsklasse

Produktnorm

≤ M16: A > M16: B

(6), 8, 10

DIN 7989-1

C ≤ M16: A  > M16: B

4, 5 (9), 12

      r       a         b       n       n       a       p       s       r       o       v

       t        h       c        i

       N

Mittel m ≈ 0,9 · d Kurz m ≈ 0,8 · d

B

B

( ) – keine Vorzugsvariante Tabelle 2.3: Muttern für nicht vorspannbare und vorspannbare geschraubte Verbindungen

Typ 1

DIN EN ISO 7089 DIN EN ISO 7090

      r       a         b       n       n       a       p       s       r       o         V

DIN EN 14399-5 DIN EN 14399-6

Produktklasse C A  

 A  Typ 2

DIN EN ISO 7091

8, 10

10

DIN 7989-2

Geometrie

C

Min. Härte

Fasen

100 HV

Ohne

200 oder 300 HV

Ohne  Außen

100 HV

Ohne Ohne

Typ 3

A

300 HV

Innen und außen

Typ 1: Dicke: h = 8 mm (dick)  Außen-∅: da ≈ e + (3 bis 5 mm) Typ 2: Dicke: h ≈ 2,5 bis 5 mm (dünn)  Außen-∅: da ≈ e + (3 bis 5 mm) Typ 3: Dicke: h ≈ 3 bis 6 mm (mittel)  Außen-∅: da ≈ e Tabelle 2.4: Scheiben für nicht vorspannbare und vorspannbare Verbindungen

und Scheiben gelten die entsprechenden FestigZusätzlich zur Festigkeitsklasse ist die Verkeits- und Härteklassen (siehe Tabelle 2.5). Die  wendungsart der Schraubengarnitur durch ein Bedeutung der Festigkeitsklassen für die Trag- Kurzzeichen anzugeben. Schrauben  für nicht  fähigkeit und die zugehörigen Werte werden in  vorspannbare Verbindungen werden mit „SB“ den Kapiteln 4 und 5 behandelt. Darüber hin- ( Structural Bolting) gekennzeichnet. Bei  voraus muss bei Schrauben, Muttern und Scheiben spannbaren Verbindungen tragen Schraudurch eine CE-Kennzeichnung  auf dem Etikett  ben, Muttern und Scheiben die Bezeichnung der Verpackung bestätigt werden, dass sie den „H“. Dazu kommt die Angabe des Systems, so  Anforderungen der Produktnorm entsprechen. dass die vollständige Bezeichnung „HV“ oder  Durch eine werkseigene Produktionskontrolle „HR“ zu finden ist. Die Kennzeichnung bei des Herstellers sind die geforderten Grenzbedin- Scheiben befindet sich auf der der Fase gegengungen im Zugversuch an einer kompletten überliegenden Seite, damit keine BeeinträchtiGarnitur nach DIN EN 15048-2 oder im Anzieh- gung des Vorspannvorgangs entsteht. Scheiben  versuch nach DIN EN 14399-2 nachzuweisen. 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 14399-4 – M16 x 80 – 10.9/10 – HV – tZn

 Abb. 2.5: Kennzeichnung von Schrauben

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 3.2.

11

Merkblatt 322

Kategorie Schrauben – Muttern – Flache Scheiben – gemäß FK gemäß FK gemäß HK gemäß DIN EN 1993-1-81) DIN EN ISO 898-1 DIN EN ISO 898-2 Produktnorm [HV]

2.5 Abmessungen und Maße

In diesem Abschnitt sind Abmessungen von Schrauben, Muttern und Scheiben sowie die Klemmlängen für die in der Regel verwendeten  A, D 4.6 > M16: 43) 3) Stahlbauschrauben zusammengestellt.  M16 : 5 100 Schrauben, die größer als M36 sind, werden  A, D 5.6 53) in der DASt-Richtlinie 021 „Schraubenverbindungen aus feuerverzinkten Garnituren M39 bis 100 M64 entsprechend DIN 6914, DIN 6915, DIN  A, D 200 8.8 8 6916“ geregelt. Die Richtlinie ist in der Bau300 regelliste A enthalten und ist bauaufsichtlich   A–E 2) 3004) eingeführt. Der Übereinstimmungsnachweis  wird anhand des Ü-Zeichens bestätigt. Da sie  A–E 2) 10.9 10 3004) sich auf die deutschen Produktnormen bezieht, 1) Grundsätzlich ist vorwiegend ruhende Zugbeanspruchung zulässig. ist zu überprüfen, ob sie auch in Verbindung 2) Zusätzlich auch für nicht vorwiegend ruhende Zugbeanspruchung zulässig. mit den europäischen Bemessungsnormen an3) Auch Muttern der Festigkeitsklasse 8 sind zulässig. gewendet werden darf. 4) Zusätzlich gekennzeichnet mit dem Herstellerkennzeichen an der Fase Bei Passschrauben ist zu beachten, dass der  gegenüberliegenden Seite. Nenndurchmesser gleich dem Gewindedurchmesser ist. Der Schaftdurchmesser ist einen Millimeter größer als der Nenndurchmesser (siehe Tabelle 2.5: Schraubengarnituren nach DIN EN 15048 und  Tabelle 2.6 ). Da in Deutschland zu einem sehr großen DIN EN 14399 in Abhängigkeit von der Kategorie  Anteil die hochfesten vorspannbaren Schrauben vom Typ HV verwendet werden, sind in  Tabelle 2.7 die Klemmlängen für vorspannbare Schraubengarnituren nach DIN EN 14399-4 bzw. 2.4 Zusammenstellung 14399-8 zusammengestellt. der Schraubengarnituren Für ein einwandfreies Funktionieren der  Entsprechend den Regelungen in den Pro-  vorspannbaren geschraubten Verbindungen müsduktnormen wurden in Abschnitt 2.2 Schrau ben, sen die Klemmlängen ∑ t folgende Bedingung Muttern und Scheiben vorgestellt. Dabei fällt erfüllen: auf, dass es unterschiedliche Bezeichnungen (lg max + 2 · P) < ∑ t < (lmin – P – mmax ) bei den Festigkeitsklassen gibt. Für Scheiben  wird statt einer Festigkeitsklasse (FK) eine Här teDarin ist P die Steigungshöhe und mmax klasse (HK) angegeben. Die Festigkeiten und die maximale Mutternhöhe nach Tabelle 2.6. Härten beziehen sich auf DIN ISO 898-1 für  Die in Tabelle 2.7 aufgeführten Klemmlängen Schrauben, auf DIN ISO 898-2 für Muttern so- ∑ tmin und ∑ tmax liegen in diesem Bereich.  wie auf die Produktnormen der Scheiben. In Die Werte für ∑ tmax  werden unter der Be Tabelle 2.5 sind die Festigkeitsklassen so dingung festgelegt, dass im nicht vorgespannten zusammengestellt, dass die Schraubengarnitu- Zustand das Schraubengewinde mindestens eine ren den Forderungen nach DIN EN 1993-1-8 Steigungshöhe hinausragt. entsprechen, siehe auch DIN EN 15048-1 und In Tabelle 2.8 sind darüber hinaus die mögDIN EN 14399. lichen Paketdicken ts unter Berücksichtigung Bei der Konstruktion von vorwiegend nicht   von Scheiben unter Schraubenkopf und Mutter  ruhenden Konstruktionen  sind in der Regel zusammengestellt.  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. ≤

12

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

Bezeichnungen Gewinde(nenn)durchmesser in mm Schaftdurchmesser der Schrauben in mm Lochdurchmesser bei normalen runden Löchern Schaftdurchmesser von Passschrauben in mm Schaftquerschnitt der Schrauben in mm2 Schaftquerschnitt von Passschrauben in mm2 Spannungsquerschnitt für normale Schrauben und Passschrauben in mm2 Steigungshöhe in mm

M12

M16

M20

M24

M27

M30

M36

d d d0 d  A  A

12 12 13 13 113 133

16 16 18 17 201 227

20 20 22 21 314 346

24 24 26 25 452 491

27 27 30 28 573 616

30 30 33 31 707 755

36 36 39 37 1018 1075

 A s

84,3

157

245

353

459

561

817

P

1,75

2

2,5

3

3

3,5

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 Maß über Eck in mm Kopfhöhe in mm Gewindelänge in mm nach DIN 7990 Gewindelänge in mm nach Länge ≤ 125 mm DIN EN ISO 4014 und 125 mm < Länge ≤ 200 DIN EN ISO 4016 Länge > 200 mm Gewindelänge in mm nach DIN EN ISO 4017 und DIN EN ISO 4018

s e k b b b b

18 19,85 7,5 17,75 30 36 49

24 26,17 10 21 38 44 57

b

30 32,95 12,5 23,5 46 52 65

36 39,55 15 26 54 60 73

41 45,2 17 29 60 66 79

46 50,85 18,7 30,5 66 72 85

55 60,79 22,5 – – 84 97

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 Mutterhöhe m  in mm außer nach DIN EN ISO 4033 Mutterhöhe

m  in

mm nach DIN EN ISO 4033

s

18

24

30

36

41

46

55

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

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 Lochdurchmesser der Scheibe in mm nach DIN EN ISO 7091 Scheibendurchmesser in mm Scheibendicke nach DIN EN ISO 7089, DIN EN ISO 7090 und DIN EN ISO 7091 in mm

d1

13

17

21

25

28

31

37

d1

13,5

17,5

22

26

30

33

39

d2

24

30

37

44

50

56

66

h

2,5

3

3

4

4

4

5

50 55,37 19 44 18,7 66 72 85

60 66,44 23 52 22,5 78 84 97

h 8 Schrauben für vorspannbare Garnituren nach DIN EN 14399-4 bzw. -8 (Typ HV) und DIN EN 14399-3 (Typ HR)

Scheibendicke nach DIN 7989-1 und DIN 7989-2 in mm

Schlüsselweite in mm Maß über Eck in mm Kopfhöhe in mm nach DIN EN 14399-4 (Typ HV) Gewindelänge in mm nach DIN EN 14399-4 (Typ HV) Kopfhöhe in mm nach DIN EN 14399-3 (Typ HR) Länge ≤ 125 mm Gewindelänge in mm nach 125 mm < Länge ≤ 200 DIN EN 14399-3 (Typ HR) Länge > 200 mm

s e k b k b b b

22 23,91 8 23 7,5 30 – –

27 29,56 10 28 10 38 44 –

32 35,03 13 33 12,5 46 52 65

41 45,2 15 39 15 54 60 73

46 50,85 17 41 17 60 66 79

Muttern für vorspannbare Garnituren nach DIN EN 14399-4 (Typ HV) und DIN EN 14399-3 (Typ HR) Schlüsselweite in mm s 22 27 32 41 46 50 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 DIN EN 14399-4 (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 DIN EN 14399-3 (Typ HR) Scheiben für vorspannbare Garnituren nach DIN EN 14399-5 (ohne Fasen) und DIN EN 14399-6 (mit Fasen) Lochdurchmesser der Scheibe in mm Scheibendurchmesser in mm Dicke der Scheibe in mm

d1 d2 h

13 24 3

17 30 4

21 37 4

25 44 4

28 50 5

31 56 5

60 27,7/29 29,4/31

37 66 6

Tabelle 2.6: Abmessungen von Schrauben, Muttern und Scheiben gemäß den Produktnormen

13

Merkblatt 322

Schraube

M12

Länge 30 – 35 16–211) 40 21–261) 45 26–311) 50 31–36 55 36–41 60 41–46 65 46–51 70 51–56 75 56–61 80 61–66 85 66–71 90 71–76 95 76–81 100 – 105 – 110 – 115 – 120 – 125 – 130 – 135 – 140 – 145 – 150 – 155 – 160 – 165 – 170 – 175 – 180 – 185 – 190 – 195 – 200 – 1) Nur nach DIN EN 14399-4.

M16

M20

M24

M27

M30

M36

– – – – – – – – 36–411) 41–461) 46–511) 51–561) 56–611) 61–66 66–71 71–76 76–81 81–86 86–91 91–96 96–101 101–106 106–111 111–116 116–121 121–126 126–131 131–136 136–141 141–146 146–151 151–156 156–161 161–166 166–171

– – – – – – – – – 39–441) 44–491) 49–541) 54–591) 59–641) 64–691) 69–74 74–79 79–84 84–89 89–94 94–99 99–104 104–109 109–114 114–119 119–124 124–129 129–134 134–139 139–144 144–149 149–154 154–159 159–164 164–169

– – – – – – – – – – – 43–481) 48–531) 53–581) 58–631) 63–681) 68–731) 73–781) 78–831) 83–88 88–93 93–98 98–103 103–108 108–113 113–118 118–123 123–128 128–133 133–138 138–143 143–148 148–153 153–158 158–163

Klemmlängen Σ tmin und Σ tmax – – 17–221) 22–271) 27–321) 32–371) 37–421) 42–47 47–52 52–57 57–62 62–67 67–72 72–77 77–82 82–87 87–92 92–97 97–102 102–107 107–1121) – – – – – – – – – – – – – –

– – – 18–231) 23–281) 28–331) 33–381) 38–431) 43–481) 48–53 53–58 58–63 63–68 68–73 73–78 78–83 83–88 88–93 93–98 98–103 103–108 108–113 113–118 118–123 123–128 128–133 – – – – – – – – –

– – – – – – 29–341) 34–391) 39–441) 44–491) 49–541) 54–591) 59–64 64–69 69–74 74–79 79–84 84–89 89–94 94–99 99–104 104–109 109–114 114–119 119–124 124–129 129–134 134–139 139–144 144–149 149–154 154–159 159–1641) 164–1691) –

Tabelle 2.7: Klemmlängen ∑ t nach DIN EN 14399-4 und DIN EN 14399-8 für vorspannbare Schrauben

14

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

Schraube

M12

Länge 30 – 35 10–151) 40 15–201) 45 20–251) 50 25–30 55 30–35 60 35–40 65 40–45 70 45–50 75 50–55 80 55–60 85 60–65 90 65–70 95 70–75 100 – 105 – 110 – 115 – 120 – 125 – 130 – 135 – 140 – 145 – 150 – 155 – 160 – 165 – 170 – 175 – 180 – 185 – 190 – 195 – 200 – 1) Nur nach DIN EN 14399-4.

M16

M20

M24

M27

M30

M36

– – – – – – – – 26–311) 31–361) 36–411) 41–461) 46–511) 51–56 56–61 61–66 66–71 71–76 76–81 81–86 86–91 91–96 96–101 101–106 106–111 111–116 116–121 121–126 126–131 131–136 136–141 141–146 146–151 151–156 156–161

– – – – – – – – – 29–341) 34–391) 39–441) 44–491) 49–541) 54–591) 59–64 64–69 69–74 74–79 79–84 84–89 89–94 94–99 99–104 104–109 109–114 114–119 119–124 124–129 129–134 134–139 139–144 144–149 149–154 154–159

– – – – – – – – – – – 31–361) 36–411) 41–461) 46–511) 51–561) 56–611) 61–661) 66–711) 71–76 76–81 81–86 86–91 91–96 96–101 101–106 106–111 111–116 116–121 121–126 126–131 131–136 136–141 141–146 146–151

Minimale und maximale Paketdicken t s – – 9–141) 14–191) 19–241) 24–291) 29–341) 34–39 39–44 44–49 49–54 54–59 59–64 64–69 69–74 74–79 79–84 84–89 89–94 94–99 99–1041) – – – – – – – – – – – – – –

– – – 10–151) 15–201) 20–251) 25–301) 30–351) 35–401) 40–45 45–50 50–55 55–60 60–65 65–70 70–75 75–80 80–85 85–90 90–95 95–100 100–105 105–110 110–115 115–120 120–125 – – – – – – – – –

– – – – – – 21–261) 26–311) 31–361) 36–411) 41–461) 46–511) 51–56 56–61 61–66 66–71 71–76 76–81 81–86 86–91 91–96 96–101 101–106 106–111 111–116 116–121 121–126 126–131 131–136 136–141 141–146 146–151 151–1561) 156–1611) –

Tabelle 2.8: Paketdicken t s = ∑ t – 2 h gemäß DIN EN 14399-4 und DIN EN 14399-8 für vorspannbare  Schrauben für Garnituren mit zwei Scheiben

15

Merkblatt 322

3 Herstellen von geschraubten Verbindungen

Bei geschraubten Verbindungen mit übergroßen runden Löchern ist die Lochleibungstragfähigkeit um den Faktor 0,8 abzumindern, bei Langlöchern quer zur Längsachse um den Fak3.1 Vorbemerkungen tor 0,6. Nach DIN EN 1993-1-1 ist der Schlupf  Das Herstellen von geschraubten Verbindun- in Schraubenlöchern bei der Tragwerksberechgen kann in die Herstellung im Werk und das nung zu berücksichtigen, falls er maßgebend ist. Herstellen auf der Baustelle unterteilt werden. Für Passschraubenverbindungen haben die Die Arbeitsvorgänge, die im Werk oder in Schraubenlöcher den gleichen Nenndurchmeseiner Fertigungshalle ausgeführt werden, z. B. das ser wie der Schaft ( Dd = 0 mm). Während sich  Herstellen der Löcher und das Aufbringen des für die normalen Löcher kaum Änderungen Kor rosionsschutzes, können als Herstellung  ergeben, sind die Regelungen bei Passschraubenverbindungen gegenüber der DIN 18800-7 im  Werk bezeichnet werden. Die Herstellung auf der Baustelle umfasst ( Dd = 0,3 mm) in der Form so verändert worden, u.a. das Ausrichten der Bauteile und das Verbin- dass sie nun der Toleranzklasse H11 entspreden mit den Schrauben. Dazu gehören z.B. das chen müssen. Die Abweichungen dürfen dem Aufbringen der planmäßigen Vorspannung und entsprechend bis zu Dd = 0,16 mm je nach  die Kontrolle der geschraubten Verbindungen. Durchmesser betragen. Aufgrund der hohen Die normative Grundlage zur Herstellung Passgenauigkeit und des damit verbundenen  von geschraubten Verbindungen ist DIN EN hohen Montageaufwands werden in der Regel 1090-2. In dieser Norm sind die Regelungen normale Schrauben den Passschrauben vorgeenthalten, die für die Herstellung geschraubter  zogen.  Verbindung von Bedeutung sind. Darüber hinaus enthält der nationale Anhang der DIN EN Lochdefinition Schraubengröße 1993-1-8 ergänzende Regelungen, die bei der  Herstellung von geschraubten Verbindungen zu M12 M16 und M24 M27 und beachten sind. M20 größer

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 1090-2 etwas kleinere Löcher zu bohren als nach DIN 18800-7.  Werden jedoch die Schraubenlöcher für  Schrauben M12 wie in DIN 18800-7 mit einem Lochspiel von 2 mm ausgeführt, so muss der  Bemessungswert der Abschertragfähigkeit kleiner sein als der Bemessungswert der Lochleibungstragfähigkeit. Zusätzlich ist bei hochfesten Schrauben die Abschertragfähigkeit um 15 % zu reduzieren.

16

Normale runde Löcher

1

2

2

3

Übergroße runde Löcher

3

4

6

8

Kurze Langlöcher (in der Länge)

4

6

8

10

Lange Langlöcher (in der Länge)

1,5 · d

Tabelle 3.1: Nennlochspiel Dd in mm bei Schrauben und Bolzen nach DIN EN 1090-2

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.

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau 3.2 Korrosionsschutz Grundsätzlich gilt nach DIN EN 1090-2 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 eingesetzt. Bei wetterfesten Stählen werden entsprechende wetterfeste Schrauben verwendet. Für  mechanische Verbindungselemente aus nichtrostenden Stählen gelten gemäß der bauaufsichtlich eingeführten Zulassung Z 30.3-6 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 10684 geregelt sind. Werden feuer verzinkte 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 ver zinken, dass Wasserstoffversprödung, Sprödbruchanfälligkeit und Spannungsrisskorrosion in der  Flüssigzinkphase ausgeschlossen werden können.

3.3 Anziehen und Vorspannen von geschraubten Verbindungen 3.3.1 Handfestes Anziehen Nach DIN EN 1090-2 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 1090-2 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. 25– 30 % der Streckgrenze als akzeptabel zu bewerten.

3.3.2 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 14399 zu verwenden (siehe Tabelle 2.2). Vorspannverfahren und Anforderungen an die Vorspannung geschraubter Verbindungen sind in DIN EN 1090-2 und im nationalen Anhang zur DIN EN 1993-1-8 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:

Fp,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 Fp,C* = 0,7 · f  yb · A s ausgeführt werden. Sie kann mit den in Tabelle 3.4 aufgeführten Verfahren aufgebracht werden. Die geringere Vorspannkraft Fp,C* wird nachfolgend als Regelvorspannkraft  und Fp,C als  volle Vorspannkraft bezeichnet. Für die Sicherung der Garnitur gegen Lockern reicht in der  Regel eine reduzierte Vorspannung  von 50 %  von Fp,C* aus. Die volle Vorspannkraft Fp,C (70% der Zugfestigkeit) wird z.B. zur Sicherstellung der Reibungskraft für gleitfeste Verbindungen der Kategorien B und C benötigt, während die Regelvorspannkraft Fp,C* (70 % der Streckgrenze) als gebrauchstauglichkeitsorientiert angesehen  werden kann. Für vorgespannte Schrauben mit  voller Vorspannung Fp,C dürfen in der Regel nur Schrauben nach DIN EN 14399-3 (HR) und 14399-4 (HV) mit den zugehörigen Muttern und Scheiben verwendet werden. Zum Aufbringen der vollen Vorspannkraft  sind nach DIN EN 1090-2 verschiedene Vorspann verfahren zugelassen. Hierbei sind besonders das Drehmomentverfahren und das kombinierte

17

Merkblatt 322  Vorspannverfahren zu nennen. Um vom aufgebrachten Drehmoment Mr  Rückschlüsse auf  die Vorspannkraft Fp,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 ge währleisteten 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 Drehmomentverfahren oder das kombinierte Vorspannverfahren, ist der mittlere k m-Faktor indi viduell 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 Mr  kann dementsprechend wie folgt bestimmt werden:

ringere Abhängigkeit vom Schmierungsgrad der  Schrauben und der Muttern. Es wird daher in [3] empfohlen, das kombinierte Vorspannverfahren anzuwenden. Gemäß NA zur DIN EN 1993-1-8 sind Verbindungen der Kategorien  B, C und E mit dem kombinierten Vorspann verfahren nach DIN EN 1090-2 und der vollen Vorspannkraft Fp,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 1090-2 (8.8- und 10.9-Schrauben)

Mr  = k m · d · Fp,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 aufgebracht. Der Ablauf des Vorspannens und  weitere Hinweise zu den Vorspannverfahren können DIN EN 1090-2 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 · Mr1 ) 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 1993-1-8/NA mit dem modifizierten kombinierten Verfahren (nur für 10.9-Schrauben). Bei diesem Verfahren besteht eine deutlich ge-

18

Das Aufbringen der Regelvorspannkraft  Fp,C* kann gemäß Anhang A des NA zur DIN EN 1993-1-8 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 14399-1. 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 1090-2 Abschnitt 8.1 festgelegten  Werte überschreitet, muss die Verbindung durch  Futterbleche ergänzt werden. Andere Nichtkon-

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

Volle Vorspannkraft Fp,C [kN]

Regelvorspannkraft Fp,C* [kN]

Drehimpulsverfahren

Modifiziertes Drehmomentverfahren

Einzustellende Aufzubringendes  Vorspannkraft Fv,DI [kN] Anziehmoment M A [Nm] zum Erreichen der zum Erreichen der Regelvorspannkraft Regelvorspannkraft Fp,C* Fp,C*

Modifiziertes kombiniertes Verfahren Voranziehmoment M A,MKV  [Nm]

Oberflächenzustand: feuerverzinkt und geschmiert *) oder wie hergestellt und geschmiert *) Schraube

8.8

10.9

8.8

10.9

8.8

10.9

8.8

10.9

10.9

M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36

47 88 137 198 257 314 458

59 110 172 247 321 393 572

35 70 110 150 200 245 355

50 100 160 220 290 350 510

40 80 120 165 220 270 390

60 110 175 240 320 390 560

70 170 300 600 900 1200 2100

100 250 450 800 1250 1650 2800

75 190 340 600 940 1240 2100

*) Muttern mit Molybdänsulfid oder gleichwertigem Schmierstoff behandelt.

Tabelle 3.3: Volle Vorspannkräfte für das kombinierte Verfahren nach DIN EN 1090-2 und Regelvorspannkräfte sowie Drehimpulsverfahren, modifiziertes Drehmomentverfahren und modifiziertes kombiniertes Verfahren nach DIN EN 1993-1-8/NA – k-Klasse K1 nach DIN EN 14399-1

formitäten dürfen, falls möglich, durch Anpas- 3.5 Sinnbilder für Schrauben sung der örtlichen Bauteilausrichtung korrigiert  werden. In DIN 407 waren Sinnbilder für Schrauben Korrigierte Verbindungen sind erneut zu und Nieten genormt, die z.T. auch in CAD-Proprüfen. Bei den Ausführungsklassen EXC2 bis grammen verwendet worden sind. 1983 ist die EXC4 müssen die Vorspannverfahren nach den internationale Norm ISO 5261-1981 unverändert Regelungen in DIN EN 1090-2 kalibriert und in die Deutsche Norm DIN ISO 5845-1 übernomüberprüft werden. men worden. Danach werden die Schrauben Nach dem Anziehen ist die Kontrolle der  oder Nieten in der Beschriftung angegeben, z.B.  vorgespannten Verbindungen stichprobenhaft 4 M16 x 100 – DIN EN ISO 14399-8 – 10.9 (für  durchzuführen. Für Bauwerke der Ausführungs- 4 Passschrauben M16, Länge 100 mm). Zusätzklasse EXC2 sind 5 % aller Verbindungen und lich zur Produktnorm ist stets die Festigkeitsfür Bauwerke der Klassen EXC3 und EXC4 sind klasse anzugeben. Dies kann entweder durch  mindestens 10 % aller Verbindungen zu über- eine globale Angabe oder einzeln für jede prüfen. Die Überprüfung erfolgt je nach Vor- Schraube erfolgen. In den Zeichnungen wird spannverfahren nach DIN EN 1090-2. Die Ein- nach der Darstellung senkrecht zur Achse (Draufteilung der Stahlkonstruktion in die EXC-Aus- sicht) und der Darstellung parallel zur Achse führungsklassen erfolgt ebenfalls nach DIN EN (Schnitt oder Seitenansicht) unterschieden (siehe 1090-2.  Tabelle 3.4 ).

19

Merkblatt 322

Zeichenebene

Bedeutung des

Symbols

Senkrecht zur Achse Nicht gesenkt

Parallel zur Achse

Senkung auf der Vorderseite Rückseite

Mutterseite freigestellt

Mutterseite rechts

Senkung 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 5845-1

4 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 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 mehr-

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 Abb. 4.1: Scherbeanspruchung einer Schraube

schnittige 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 Scherfugen 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.

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

 Abb. 4.2: Ein- und zweischnittige SL-Verbindungen

Die Tragfähigkeit von SL-Verbindungen wird bei vorwiegend ruhender Belastung durch drei mögliche Versagensarten begrenzt. Sie sind anhand eines Beispiels in  Abb. 4.3 dargestellt.  Wenn man dicke, breite Bleche mit Schrauben  verbindet, die im Vergleich zu den Blechen kleine Durchmesser haben, kommt es zum Abscheren der Schraubenschäfte. Bei vergleichs-

 weise dünnen Blechen kann der Lochleibungsdruck auf die Bleche so groß werden, dass ein unzulässiges Aufweiten der Löcher bzw. Ausreißen der Bleche das maßgebende Versagenskriterium ist. Die Rand- und Lochabstände müssen daher ausreichend groß sein. Die dritte Versagensart ergibt sich, wenn Schrauben mit großem Durchmesser im Vergleich zur Breite der  Bleche die Tragfähigkeit der Bleche so stark  reduzieren, dass das Blech im Nettoquerschnitt  versagt.  Aufgrund der drei möglichen Versagensarten in Abb. 4.3 ergeben sich Schubspannungen im Schraubenschaft (a), Lochleibungsdruckspannungen zwischen Blech und Schraubenschaft (b) sowie Zugnormalspannungen im Blech mit Lochschwächung (c). Die Spannungen haben nach der Elastizitätstheorie stark nichtlineare  Verläufe in den Schrauben und Blechen. Zur anschaulichen Erläuterung sind die qualitativen Spannungsverläufe in Abb. 4.4 skizziert. Da geschraubte Verbindungen duktiles Verhalten aufweisen, plastizieren bei Steigerung der Belastung Teile der Konstruktion, so dass Spannungsspitzen abgebaut und die Spannungs verteilungen vergleichmäßigt werden. Bei weiterer Laststeigerung bis hin zur Grenztragfähigkeit ergeben sich näherungsweise konstante  Abb. 4.4 c ). Für die BeSpannungsverteilungen (  messung von geschraubten Verbindungen werden daher folgende Verteilungen angenommen: a) konstante Schubspannungen  t a im Schraubenschaft b) konstanter Lochleibungsdruck σ l im Blech  über Blechdicke und Schraubenschaftdurchmesser  c) konstante Normalspannungen σ x im Nettoquerschnitt des Bleches

Die Annahme konstanter Spannungen ist eine Näherung, die die Berechnung erleichtern soll. Sie führt zu einer ausreichend sicheren Bemessung, da die zulässigen Beanspruchbarkeiten , Konstruktionsregeln und Bemessungsvorschriften auf diese Annahme abgestimmt sind. Zu beachten ist jedoch, dass ausreichend duktiles Tragverhalten nur bei vorwiegend ruhender Belastung vorausgesetzt werden kann. Wenn die Ermüdung eine Rolle spielt, haben Spannungsspitzen große Bedeutung. Das in diesem Abschnitt beschriebene Trag verhalten gilt für Schrauben mit glattem Schaft („Stahlbauschrauben“) und Schrauben mit Ge winde bis zum Schraubenkopf. Die Berechnung der Schraubenkräfte in SL-Verbindungen wird in Abschnitt 4.5 behandelt, die Bemessung in  Abb. 4.3: Mögliche Versagensarten bei einer SL-Verbindung  Abschnitt 5.4.

21

Merkblatt 322  Abb. 4.4: Spannungsverteilungen in SL-Verbindungen

 Abb. 4.5: Kraftübertragung in gleitfesten Verbindungen

zusammen, so dass die äußeren Kräfte F durch  Reibung übertragen werden können. Die Größe der übertragbaren Reibkräfte hängt von der Vorspannung und der Beschaffenheit der Blechoberflächen ab (gestrahlt, aufgeraut, gleitfester   Anstrich). Gemäß DIN EN 1993-1-8 werden die Gleitflächenklassen A, B, C und D unterschieden, denen Reibungszahlen von m = 0,5, 0,4, 0,3 bzw. 0,2 zugeordnet sind. Nach dem Überschreiten der Reibkräfte wirkt eine gleitfeste Verbindung  wie eine SL-Verbindung, so dass gemäß Tabelle 1.1 entsprechende Nachweise zu führen sind. Im Vergleich zu SL-Verbindungen treten bei gleitfesten Verbindungen kleinere Spannungen in den verbundenen Blechen auf, solange die Kraftübertragung durch Reibung wirksam ist. Die Skizzen in  Abb. 4.6 zeigen die Spannungs verläufe qualitativ. Da die ausgeprägten Spannungsspitzen an den Schraubenlöchern entfallen, ist die Ermüdungsfestigkeit von gleitfesten  Verbindungen wesentlich höher als die von SL-Verbindungen. Sie werden aufgrund dieses  Vorteils bevorzugt bei dynamisch beanspruchten Konstruktionen verwendet.

4.3 Scherverbindungen der Kategorien B und C Gleitfeste Verbindungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit bzw. der Tragfähigkeit sind gemäß Tabelle 1.1 Scherverbindungen der Kategorien B und C. Ihre Wirkungsweise  wird mithilfe von Abb. 4.5 erläutert.  Wenn die Schrauben einer Verbindung vor-  Abb. 4.6: Spannungen in Blechen bei SL-Verbindungen gespannt werden, können Kräfte senkrecht zur  und gleitfesten Scherverbindungen Schraubenachse durch Reibung übertragen werden. Durch das Vorspannen werden die Schrauben auf Zug beansprucht und es entstehen zwischen Schraubenkopf und -mutter Druckkräfte. Sie pressen die Kontaktflächen der Bleche örtlich 

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Geschraubte Verbindungen im Stahlbau  Abb. 4.8: Ermittlung der Schraubenkräfte bei symmetrischen Schraubenbildern

4.4 Zugverbindungen der Kategorien D und E

Geschraubte Verbindungen können auch  so konstruiert werden, dass Kräfte in  Richtung der Schraubenachse auftreten. Gemäß  Abb. 4.7  werden die Schrauben dann durch Zug kräfte beansprucht, was die kennzeichnende Beanspruchung der Verbindung ist. Bei dieser Verbindungsart können Abstützkräfte auftreten, die Auswirkungen auf die Schraubenzugkräfte und auf die Beanspruchungen der Anschlussbleche haben. Gemäß Abb. 4.7 kommen folgende Versagensarten in Frage: a) Überschreiten der maximalen Schraubenzugkräfte b) Überschreiten der maximalen Blechbiegemomente c) Durchstanzen der Schraubenköpfe oder der  Mutter durch die Anschlussbleche

 Abb. 4.7: Verbindung mit zugbeanspruchten Schrauben sowie Versagensarten

Zugbeanspruchte Schrauben kommen hauptsächlich in Verbindung mit Stirnplatten vor.  Auf die Ermittlung der Tragfähigkeit dieser Verbindungen wird in Abschnitt 4.6 näher eingegangen. Maximale Schraubenzugkräfte können Tabelle 5.7 entnommen werden.

4.5 Schraubenkräfte in Scherverbindungen Geschraubte Verbindungen werden fast ausschließlich so konstruiert, dass alle Schrauben der Verbindung den gleichen Durchmesser und gleiche Abstände untereinander haben (siehe

beispielsweise Abb. 4.3 b). Von Ausnahmen abgesehen werden die Schrauben symmetrisch angeordnet, so dass der Schwerpunkt S des Schraubenbildes im Schnittpunkt der Symmetrielinien liegt. Gemäß  Abb. 4.8  werden die Schnittgrößen NS, V S und MS auf diesen Punkt bezogen. Sofern die zu übertragenden Schnittgrößen des anzuschließenden Querschnittsteils (siehe Abschnitt 1.3) nicht in diesem Punkt wirken, sind entsprechende Schnittgrößentransformationen durchzuführen. Die allgemein übliche Vorgehensweise zur  Ermittlung der Schraubenkräfte ist in Abb. 4.8 an einem Beispiel mit vier Schrauben dargestellt: 1. Zunächst werden die Schnittgrößen NS und  V S gleichmäßig auf die vier Schrauben verteilt, so dass man Ni = NS / 4 und V i = V S / 4 erhält. 2. Nun werden die Schraubenkräfte infolge MS ermittelt, die senkrecht auf den Hebelarmen r i zum Schwerpunkt S stehen. Bei dem Beispiel in Abb. 4.8 ergeben sie sich  aus Gleichgewichts- und Symmetriegründen zu MS / (4 · r  i). 3. Nun wird die maximale Schraubenkraft infolge NS, V S und MS berechnet. Sie tritt stets in Schrauben auf, die vom Schwerpunkt am  weitesten entfernt liegen. Bei dem Beispiel in Abb. 4.8 genügt ein Blick, um festzustellen, dass die Schraube unten links die größte Schraubenkraft aufnehmen muss.

23

Merkblatt 322 Bei der Berechnung werden zunächst die horizontale Komponente max V x,i infolge NS und MS sowie die vertikale Komponente max V z,i infolge V S und MS ermittelt und anschließend  wird damit die Resultierende max R i bestimmt. Diese Resultierende ist die maximale Schraubenkraft des untersuchten Schraubenbildes. Sie darf  unter Beachtung der Scherfugen gemäß Abb. 4.2 nicht größer sein als die in Tabelle 5.3 zusammengestellten Tragfähigkeiten F v,Rd. Darüber  hinaus ist damit auch der Lochleibungsdruck  gemäß Abschnitt 5.4 zu überprüfen.

 Abb. 4.9: Bezeichnung bei symmetrischer und regelmäßiger  Anordnung der Schrauben

4.6 Schraubenkräfte in Zugverbindungen Typische Anwendungsbeispiele für Verbindungen mit zugbeanspruchten Schrauben sind Trägerstöße mit Stirnplatten, siehe beispielsweise Bei symmetrischer und regelmäßiger Anord-  Abb. 1.1 c, Einführungsbeispiel.  Abb. 4.10 zeigt nung der Schrauben kann die maximale Schrau- den Stoß eines Trägers mit überstehenden Stirnbenkraft mithilfe von  Abb. 4.9 und Tabelle 4.1 platten. Der I-förmige Trägerquerschnitt besteht  wie folgt berechnet werden: aus dem Steg und den beiden Gurten. Die Verbindung wird in der Regel so bemessen, dass |Ns| |Ms| a max V x,i = ––––––– +–––––––·––––––––––––––––––– das Biegemoment durch ein Kräftepaar ersetzt n h l + b · (b/h)2  wird, dessen Kräfte in den Gurten wirken. Bezüglich der Kraftübertragung wird angenommen, a |V s| |Ms| b max V z,i = ––––––– + –––––––·––––––––––––––––––2–·–– dass die Druckkraft im Obergurt durch Druckn h l + b · (b/h) h  kontakt zwischen den Stirnplatten ausgeglichen  wird. Die Zugkraft im Untergurt muss durch  −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− max R i = √ max V 2x,i + max V 2z,i (Resultierende) Schraubenzugkräfte übertragen werden. Dabei entstehen auf dem Wege zu den Schrauben Erläuterungen: Biegemomente in den Stirnplatten (Blechbiegenx: Anzahl der Schrauben in x-Richtung momente) und, wie in Abb. 4.7 dargestellt, nz: Anzahl der Schrauben in z-Richtung ggf. Abstützkräfte. Für die Bemessung kann das n = nx · nz in Abschnitt 5.12 erläuterte Modell des äquivab = (nx – 1) · ex lenten T-Stummels mit Zugbeanspruchung verh = (nz – 1) · ez  wendet werden. Bei vielen baupraktischen für nx =

für nx =

nz

1

2

3

4

nz

1

2

3

4

2 3 4 5 6 7 8 9 10

1,0000 1,0000 0,9000 0,8000 0,7143 0,6429 0,5833 0,5333 0,4909

0,5000 0,5000 0,4500 0,4000 0,3571 0,3214 0,2917 0,2667 0,2455

0,3333 0,3333 0,3000 0,2667 0,2381 0,2143 0,1944 0,1778 0,1636

0,2500 0,2500 0,2250 0,2000 0,1786 0,1607 0,1458 0,1333 0,1227

2 3 4 5 6 7 8 9 10

– – – – – – – – –

1,000 1,500 1,800 2,000 2,143 2,250 2,333 2,400 2,455

0,667 1,000 1,200 1,333 1,429 1,500 1,556 1,600 1,636

0,556 0,833 1,000 1,111 1,191 1,250 1,296 1,333 1,364

6 nz – 1 nx · nz nz + 1

a = ––––––––– · ––––––––

Tabelle 4.1: Beiwerte a und b zur Ermittlung maximaler Schraubenkräfte

24

nx + 1 nz – 1 nx – 1 nz + 1

b = –––––––– · ––––––––

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

 Abb. 4.10: Trägerstoß mit überstehenden Stirnplatten und Übertragung des Biegemomentes M y

 Abb. 4.12: Trägerstoß mit bündigen Stirnplatten

 Anwendungsfällen wird der Versagensmodus 2 Sofern nur kleine Biegemomente im Stoß zu „Schraubenversagen gleichzeitig mit Fließen übertragen sind, reichen bündige Stirnplatten der Stirnplatte“ gemäß Tabelle 5.9 maßgebend.  wie in  Abb. 4.12 aus. Bei dieser Lösung wird Die Nachweisführung mithilfe von Abschnitt die Zugkraft im Untergurt auf zwei Wegen durch  5.12 (T-Stummel) in Verbindung mit Abschnitt die Schrauben geführt. Einerseits erfolgt die 5.13 (wirksame Längen für Stirnplatten) ist re- Kraftübertragung vom Flansch aus und andererlativ aufwändig. Man kann sie abkürzen, wenn seits vom Trägersteg aus in die Stirnplatte. man das vereinfachte Modell gemäß  Abb. 4.11 Die Stirnplatten werden durch Biegemomente  verwendet. Bei diesem Modell wird der Steg beansprucht und es können wie bei den überdes Trägers beim T-Stummel vernachlässigt, so stehenden Stirnplatten in Abb. 4.10 und 4.11 dass alle vier Schrauben die gleichen Zugkräfte  Abstützkräfte entstehen. aufnehmen. Auf der sicheren Seite kann darüber  hinaus der Nachweis ohne Abstützkräfte geführt  werden. Mithilfe von Tabelle 5.9 unten ergibt sich folgender Doppelnachweis: 5 Bemessung nach DIN EN 1993-1-8 Nz Mpl,l,Rd bp · t2p · f  y,p Ft,Ed = ––––≤ ––––––––––= –––––––––––––––––– 4 2m 8 m · gM0

5.1 Allgemeines

Ft,Ed  ≤ Ft,Rd Die Bemessung von Anschlüssen ist in DIN EN 1993-1-8 (150 Seiten) und dem zugehörigen deutschen nationalen Anhang (20 Seiten) geregelt. Im Folgenden werden aus diesen Dokumenten wichtige Grundlagen für die Bemessung geschraubter Verbindungen zusammengestellt und ergänzend dazu Bemessungshilfen gegeben, die die Nachweisführung erleichtern.

5.2 Werkstofffestigkeiten Gemäß NA (nationaler Anhang) dürfen Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 8.8 und 10.9 verwendet werden. Die Streckgrenzen und die Zugfestigkeiten können  Tabelle 5.1 entnommen werden.

 Abb. 4.11: Vereinfachtes Modell für Trägerstöße mit überstehender Stirnplatte

25

Merkblatt 322

Festigkeitsklasse der Schraube

4.6

5.6

8.8

10.9

Streckgrenze fyb [N/mm2]

240

300

640

900

Zugfestigkeit fub [N/mm2]

400

zu ermitteln, wenn das Schraubengewinde in der Scherfuge liegt. Dabei ist A s die Spannungsquerschnittsfläche der Schraube und a v  wie folgt festgelegt: a v  = 0,6 für die Festigkeitsklassen 4.6, 5.6

500

800

1000

Tabelle 5.1: Nennwerte der Streckgrenze f yb und der Zugfestigkeit fub von Schrauben

Da bei geschraubten Verbindungen auch  Nachweise für die Anschlusskonstruktionen (Bleche und Profile) zu führen sind, werden  Werkstoffkennwerte für Baustahl in Tabelle 5.2 als Auszug aus der DIN EN 1993-1-1 (siehe dort Tabelle 3.1) angegeben.

und 8.8 a v  = 0,5 für die Festigkeitsklasse 10.9  Wenn der glatte Teil des Schraubenschaftes in der Scherfuge liegt, ist F v,Rd = 0,6 · f ub · A / gM2 Hier ist A die Querschnittsfläche des Schraubenschaftes. Als Bemessungshilfe sind in  Tabelle 5.3 Grenzabscherkräfte für gängige Schraubengrößen und die Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 8.8 und 10.9 zusammengestellt. Festigkeit

5.3 Teilsicherheitsbeiwerte Für die Ermittlung der Beanspruchbarkeit  von Schrauben ist als Teilsicherheitsbeiwert gM2 = 1,25 zu verwenden. Dieser Wert gilt auch  für das Versagen auf Zug im Nettoquerschnitt geschraubter Anschlüsse. Für Bauteile und deren Querschnitte sind gemäß DIN EN 1993-1-1 und NA gM0 = 1,0 und gM1 = 1,1 für den Grenzzustand der Tragfähigkeit anzusetzen.

5.4 Scherverbindungen Kategorie A

Schraubengröße M12

M16

M20

M24

M27

M30

Glatter Teil des Schaftes in der Scherfuge 4.6 5.6 8.8 10.9

21,7 27,1 43,4 54,3

38,6 48,2 77,2 96,5

60,3 75,4 120,6 150,7

86,8 108,5 173,6 217,0

110,0 137,5 220,0 275,0

135,7 169,7 271,5 339,4

Gewinde in der Scherfuge 4.6 5.6 8.8 10.9

16,2 20,2 32,4 33,7

30,1 37,7 60,3 62,8

47,0 58,8 94,1 98,0

67,8 88,1 107,7 84,7 110,2 134,6 135,6 176,3 215,4 141,2 183,6 224,4

Für Scherverbindungen der Kategorie A  dürfen Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9 verwendet werden. Die Tragfähigkeit einer  Schraube ist bezüglich des Abscherens einer Scherfuge mit Tabelle 5.3: Tragfähigkeit Fv,Rd von Schrauben bezüglich  Abscheren (eine Scherfuge)

F v,Rd = a v  · f ub · A s / gM2 Tabelle 5.2: Nennwerte der Streckgrenze fy und der Zugfestigkeit fu für warmgewalzten Baustahl

Werkstoffnorm

EN 10025-2 Unlegierte Baustähle EN 10210-1 Warmgefertigte Hohlprofile EN 10219-1 Kaltgefertigte geschweißte Hohlprofile

26

Stahlsorte S 235 S 275 S 355 S 450 S 235 H S 275 H S 355 H S 235 H S 275 H S 355 H

Blechdicke t ≤ 40 mm fy [N/mm2] fu [N/mm2] 235 275 355 440 235 275 355 235 275 355

360 430 490 550 360 430 510 360 430 510

40 mm < t ≤ 80 mm fy [N/mm2] fu [N/mm2] 215 255 335 410 215 255 335

360 410 470 550 340 410 490

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

Neben dem Abscheren ist auch die Lochleibung der Anschlusskonstruktionen, d.h. der  Druck des Schraubenschaftes auf die Bleche, nachzuweisen. Die Tragfähigkeit bezüglich Lochleibungsdruck auf ein Blech der Dicke t wird durch  Fb,Rd = ab · k l · f u · d · t / gM2 begrenzt. Dabei ist d der Nennwert des Schraubendurchmessers und f u die Zugfestigkeit des Bleches. Die Beiwerte ab und k 1 können mithilfe von Tabelle 5.4 ermittelt werden. Sie sind in Abhängigkeit von den Lochabständen untereinander und zu den Rändern hin ( in und senkrecht  zur Kraftrichtung) zu bestimmen. Sofern die Loch- und Randabstände groß sind und darüber hinaus f ub ≥ f u ist, kann mit den maximal

möglichen Werten ab = 1,0 und k 1 = 2,5 gerechnet werden. Bei schräg angreifenden Schraubenkräften darf die Lochleibungstragfähigkeit getrennt für die Kraftkomponenten parallel und senkrecht zum Rand nachgewiesen werden. Beiwert b (in Kraftrichtung)

Innere Schrauben: p2 k1  = 1,4 · ––– – 1,7 d0

Randschrauben: e1 ab = –––––– 3 · d0

Randschrauben: e2 k1 =   2,8 · ––– – 1,7 d0 p2 ≤ 1,4 · ––– – 1,7 d0

und

ab  ≤ 1

Rand- bzw. Lochabstände

Kleinste Abstände

Größte Abstände

Löcher, → : p1 Ränder, → : e1 Ränder, ↓ : e2 Löcher, ↓ : p2

2,2 · d0 1,2 · d0 1,2 · d0 2,4 · d0

200 mm; 14 · t 40 mm + 4 · t 40 mm + 4 · t 200 mm; 14 · t

Tabelle 5.5: Grenzwerte für Rand- und Lochabstände von Schrauben

Beiwert k 1 (senkrecht zur Kraftrichtung)

Innere Schrauben: p1 1 ab = –––––– – –– 3 · d0 4

fub Jedoch ab ≤ ––– fu

• Innere Schrauben: Schrauben 4 und 5 • Randschrauben in Kraftrichtung: Schrauben 3 und 6 • Randschrauben senkrecht zur Kraftrichtung: Schrauben 1, 2 und 3

Bei der Anordnung der Schrauben müssen Grenzwerte für die Rand- und Lochabstände eingehalten werden. Sie sind in Tabelle 5.5 für die

übliche Lochanordnung ohne gegenseitigen Versatz angegeben. Darüber hinaus gelten sie für  Stahl, der dem Wetter oder anderen korrosiven

Einflüssen ausgesetzt ist, jedoch nicht für wetterfeste Baustähle.  Als Bemessungshilfe sind in  Tabelle 5.6 maximale Tragfähigkeiten max Fb,Rd und dazu

Jedoch k 1 ≤ 2,5

erforderliche minimale Rand- und Lochabstände zusammengestellt.

Tabelle 5.4: Beiwerte ab und k 1 zur Ermittlung der Tragfähigkeit bezüglich Lochleibung

Schraubengröße

M12

M16

M20

M24

M27

M30

Maximale Tragfähigkeiten bezüglich Lochleibung in kN für 1 cm Blechdicke S 235, t = ≤ 40 mm

86

115

144

173

194

216

S 355, t = ≤ 40 mm

118

157

196

235

265

294

Minimale Rand- und Lochabstände in mm Lochdurchmesser

13

18

22

26

30

33

min p1

49

68

83

98

113

124

min e1 und min p2

39

54

66

78

90

99

min e2

20

27

33

39

45

50

Tabelle 5.6: Maximale Tragfähigkeiten max Fb,Rd sowie erforderliche Rand- und Lochabstände

27

Merkblatt 322 Durch die Schraubenlöcher in den Anschlusskonstruktionen wird die Tragfähigkeit dieser Bauteile beeinträchtigt. Die erforderlichen Nachweise sind in der DIN EN 1993-1-1 wie folgt geregelt: • Abschnitt 6.2.3 Zugbeanspruchung  Als Bemessungswert der Zugbeanspruchbarkeit des Nettoquerschnitts längs der kritischen Risslinie durch die Löcher wird

Festigkeit 4.6 5.6 8.8 10.9

Schraubengröße M12

M16

M20

M24

M27

M30

24,3 30,3 48,6 60,7

45,2 70,6 56,5 88,2 90,4 141,1 113,0 176,4

101,7 127,1 203,3 254,2

132,2 165,2 264,4 330,5

161,6 202,0 323,1 403,9

Nu,Rd = 0,9 · A net · f u / gM2 angesetzt. • Abschnitt 6.2.4 Druckbeanspruchung  Außer bei übergroßen Löchern oder Langlöchern nach DIN EN 1090 müssen Löcher  bei druckbeanspruchten Bauteilen nicht abgezogen werden, wenn sie mit den Verbindungsmitteln gefüllt sind. • Abschnitt 6.2.5 Biegebeanspruchung Löcher für Verbindungsmittel dürfen in zugbeanspruchten Flanschen vernachlässigt werden, wenn folgende Bedingung für die Flansche eingehalten wird:  A f,net · 0,9 · f u / gM2 ≥ A f  · f  y  / gM0

Tabelle 5.7: Tragfähigkeit Ft,Rd von Schrauben auf Zug

gleich zu den Abscherkräften in Tabelle 5.3, Fall „Gewinde in der Scherfuge“, sind die Schraubenzugkräfte bei den Festigkeitsklassen 4.6, 5.6 und 8.8 um 50 % größer, bei der Festigkeitsklasse 10.9 sogar um 80 %. Bei zugbeanspruchten Schrauben besteht die Gefahr, dass die Anschlusskonstruktionen über die Schraubenköpfe hinweg abgerissen  werden. Die Schraubenköpfe werden dabei durch die Bleche „gestanzt“. Die Tragfähigkeit einer Schraube bezüglich Durchstanzen ist mit

Dabei ist A f  die Fläche des zugbeanspruchten Flansches. Ein Lochabzug im Zugbereich von Stegblechen ist nicht notwendig, wenn die Bp,Rd = 0,6 · p · dm · tp · f u / gM2 o.g. Bedingung für die gesamte Zugzone, die sich aus Zugflansch und Zugbereich des Steg- zu ermitteln. Dabei ist dm der Mittelwert aus bleches zusammensetzt, sinngemäß erfüllt Eckmaß und Schlüsselweite des Schrauben wird. Außer bei übergroßen Löchern und kopfes oder der Schraubenmutter. Maßgebend Langlöchern müssen Löcher in der Druck- ist der kleinere Wert. tp ist die Blechdicke des zone vom Querschnitt nicht abgezogen wer- angeschlossenen Bleches. (Anmerkung: Gemäß den, wenn sie mit den Verbindungsmitteln DIN EN 1993-1-8 ist tp die Blechdicke der Scheigefüllt sind. be. Dies ist offensichtlich nicht zutreffend.) Das • Abschnitt 6.2.6 Querkraftbeanspruchung Durchstanzen ist in der Regel nicht maßgebend, Bei Verbindungen ist daher der Nettoquer-  weil aufgrund der Blechbiegung entsprechend schnitt anzusetzen. dicke Bleche benötigt werden. Beispielsweise erhält man für eine Schraube M30 der Festigkeitsklasse 10.9 und ein 15 mm dickes Blech  aus S 235 die folgende Durchstanzkraft: 5.5 Zugverbindungen der Kategorien D und E Für Zugverbindungen der Kategorie D (nicht  vorgespannt) dürfen Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9 verwendet werden. Bei der  Kategorie E (vorgespannt) sind in der Regel hochfeste Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 einzusetzen. Die Tragfähigkeit einer  Schraube bezüglich einer Zugkraft in  Richtung der Schraubenachse ist mit Ft,Rd = k 2 · f ub · A s / gM2 zu ermitteln. Als Beiwert ist k 2 = 0,9 bei normalen Schraubenköpfen anzusetzen, jedoch bei Senkschrauben nur k 2 = 0,63. Tabelle 5.7 zeigt eine Zusammenstellung von Schraubenzugkräf ten für gängige Schraubengrößen. Im Ver-

28

Bp,Rd = 0,6 · p · (5,0 + 5,54) / 2 · 1,5 · 36,0 / 1,25 = 429 kN Der Vergleich mit der maximalen Schraubenzugkraft von 403,9 kN (siehe Tabelle 5.7) zeigt, dass das Durchstanzen für t p  ≥ 15 mm bei Schrauben bis M30 der Festigkeitsklasse 10.9 nicht maßgebend ist. Zugkräfte können in Schrauben nur eingeleitet werden, wenn sie durch Bleche dorthin übertragen werden. Die Bleche werden dabei durch Biegemomente beansprucht (Blechbiegung). Häufig ist die Blechbiegung das maßgebende Tragfähigkeitskriterium und muss daher  unbedingt beachtet werden. In der Regel wird die Biegemomententragfähigkeit eines Bleches

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau der Breite b und der Dicke t nach der Plastizitätstheorie wie folgt bestimmt: Mpl,Rd = 0,25 · b · t2 · f  y  / gM0 Einzelheiten der Nachweisführung werden in Abschnitt 5.12 behandelt.

5.6 Kombination Scher-/Lochleibung und Zug Sofern Schrauben durch Scherkräfte (Kat. A) und gleichzeitig durch Zugkräfte (Kat. D und E) beansprucht werden, ist diese Kombination mit der folgenden Bedingung nachzuweisen: F v,Ed Ft,Ed ––––––– + –––––––––––––– ≤ 1,0 F v,Rd 1,4 · Ft,Rd

5.7 Scherverbindungen der Kategorien B und C

trägt, so ist in der Regel der Bemessungswert der Abschertragfähigkeit F v,Rd (siehe Abschnitt 5.4) aller Verbindungsmittel mit einem Abminderungsbeiwert bLf  abzumindern. Er kann wie in  Abb. 5.1 angegeben bestimmt werden.  Wenn man eine Abminderung so weit wie möglich vermeiden will, sollten für den Lochabstand p1 die kleinsten Abstände, also p1 = 2,2 · d0, gewählt werden. Die Abminderung wird erst dann wirksam, wenn mehr als n = 1 + 6,8 d / d0 Schrauben nebeneinander angeordnet werden.

5.9 Einschnittige Scherverbindungen mit einer Schraubenreihe In einschnittigen Anschlüssen mit nur einer  Schraubenreihe sollten Scheiben sowohl unter  dem Schraubenkopf als auch unter der Mutter  eingesetzt werden. Die Lochleibungstragfähigkeit Fb,Rd der Schrauben ist zu begrenzen auf:

Gemäß Tabelle 1.1 handelt es sich um gleitFb,Rd ≤ 1,5 f u · d · t / gM2 feste Verbindungen, bei denen die Kräfte durch  Reibung übertragen werden. Sie werden in Im Vergleich zur Ermittlung von Fb,Rd in Abder Baupraxis relativ selten eingesetzt und da- schnitt 5.4 bedeutet dies, dass ab · k 1 = 1,5 anher hier nicht im Detail behandelt (siehe auch  gesetzt wird, also 60 % des maximal möglichen  Abschnitt 4.3).  Wertes. Bei Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 in einschnittigen Anschlüssen mit nur einer Schraube oder einer Schraubenreihe sind in der Regel gehärtete Scheiben zu ver5.8 Lange Scherverbindungen  wenden.  Wenn der Abstand L j zwischen den Achsen des ersten und des letzten Verbindungsmittels in einem langen Anschluss, gemessen in Richtung der Kraftübertragung, mehr als 15 · d be-

 Abb. 5.2: Einschnittige Verbindung mit einer Schraubenreihe

5.10 Einschenklig angeschlossene Winkel unter Zugbelastung

 Abb. 5.1: Abminderungsfaktor für lange Scherverbindungen

Die Exzentrizität von Anschlüssen sowie die Einflüsse von Loch- und Randabständen der  Schrauben sind in der Regel bei der Bestimmung der Tragfähigkeiten von • unsymmetrischen Bauteilen und • symmetrischen Bauteilen, deren Anschluss unsymmetrisch erfolgt, z.B. bei einseitig angeschlossenen Winkeln, zu berücksichtigen. Einschenklig mit einer Schraubenreihe angeschlossene Winkel, siehe  Abb. 5.3, dürfen wie zentrisch belastete Winkel bemessen werden,  wenn die Tragfähigkeit N u,Rd mit einem effekti ven Nettoquerschnitt wie folgt bestimmt wird:

29

Merkblatt 322 bei einer Schraube:

 von Schraubengruppen, was durch die Kombination von Schub- und Zugversagen der Anschlussbleche verursacht wird. Für eine symmetrisch angeordnete Schraubengruppe unter zentrischer Belastung ergibt sich der Widerstand gegen Blockversagen zu:

2,0 · (e2 – 0,5 · d0 ) · t · f u Nu,Rd = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––– gM2

bei zwei Schrauben: b2 · A net · f u Nu,Rd = ––––––––––––––––––

f  y   V eff,1,Rd = f u · A nt / gM2 + –––−− ––– · A nv / gM0  √  3 bei drei und mehr Schrauben: Dabei ist A nt die zugbeanspruchte und A nv  b3 · A net · f u Nu,Rd = –––––––––––––––––– die schubbeanspruchte Querschnittsfläche. Für  gM2 eine Schraubengruppe unter exzentrischer Beb2, b3  Abminderungsbeiwerte abhängig vom lastung wird in DIN EN 1993-1-8 folgender  Lochabstand p1 gemäß  Tabelle 5.8. Grenzwert angegeben: Zwischenwerte dürfen linear interpof  y  liert werden.  V eff,2,Rd = 0,5 · f u · A nt / gM2 + ––––−− –– · A nv / gM0  √  3  A net Nettoquerschnittsfläche des Winkelprofils. Bei ungleichschenkligen Winkelprofilen mit Anschluss des kleineren Schenkels ist für A net die Nettoquerschnittsfläche eines entsprechenden gleichschenkligen Winkelprofils mit einer Schenkellänge gleich der kleineren Schenkellänge anzunehmen. gM2

 Abb. 5.4: Blockversagen von Schraubengruppen bei Knotenblechen

 Abb. 5.3: Einschenklig angeschlossene Winkel Lochabstand 2 Schrauben 3 Schrauben und mehr

p 1 ≤ 2,5 d0 b2 = 0,4 b3 = 0,5

≥ 5,0 d0 b2 = 0,7 b3 = 0,7

 Abb. 5.5: Blockversagen von Schraubengruppen an Trägerenden

5.12 T-Stummel mit Zugbeanspruchung Tabelle 5.8: Abminderungsbeiwerte b2 und b3

Zur Berechnung der Tragfähigkeit der folgenden Grundkomponenten geschraubter Anschlüsse kann das Modell des äquivalenten 5.11 Blockversagen von Schraubengruppen T-Stummels mit Zugbeanspruchung verwendet Bei den in  Abb. 5.4 und 5.5 dargestellten  werden:  Anschlüssen kann es zum Herausreißen der  • Stützenflansch mit Biegebeanspruchung  Anschlussbereiche kommen, wenn große An- • Stirnblech mit Biegebeanspruchung schlusskräfte in relativ kleinen Anschlussberei- • Flanschwinkel mit Biegebeanspruchung chen übertragen werden sollen. Gemäß DIN EN • Fußplatte mit Biegebeanspruchung infolge 1993-1-8 handelt es sich um das Blockversagen Zugbeanspruchung

30

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

 Abstützkräfte können auftreten, d. h. Lb ≤  Lb*  Verfahren 1

Verfahren 2 (alternatives Verfahren)

Ohne Futterplatten

4 · Mpl,1,Rd F T,1,Rd = ––––––––––– m

(8n – 2ew) Mpl,1,Rd FT,1,Rd = –––––––––––––––––––– 2mn – ew (m + n)

Mit Futterplatten

4 · Mpl,1,Rd + 2 · Mbp,Rd F T,1,Rd = –––––––––––––––––––––––– m

(8n – 2ew) Mpl,1,Rd + 4n Mbp,Rd FT,1,Rd = ––––––––––––––––––––––––––––––––– 2mn – ew (m + n)

Modus 2

2 · Mpl,2,Rd + nS Ft,Rd F T,2,Rd = –––––––––––––––––––––––– m+n

Modus 3

F T,3,Rd = S Ft,Rd

Modus 1

Tabelle 5.9: Tragfähigkeit F T,Rd eines T-StummelFlansches bei Zugbeanspruchung

Keine Abstützkräfte Modus 1

2 · Mpl,1,Rd F T,1,Rd = F T,2,Rd = –––––––––––– m

und Modus 2

F T,3,Rd = S Ft,Rd

Modus 3

Modus 1: Vollständiges Fließen des Flansches Modus 2: Schraubenversagen gleichzeitig mit Fließen des Flansches Modus 3: Schraubenversagen

Die in Tabelle 5.9 enthaltenen Parameter haben folgende Bedeutung: Lb Dehnlänge der Schraube, angesetzt mit der gesamten Klemmlänge (Gesamtdicke des Blechpak ets und der Scheiben), plus der halben Schraubenkopfhöhe und halben Mutternhöhe. Bei Ankerschrauben die Dehnlänge, ang esetzt mit der Summe aus dem 8-fachen Schraubendurchmesser, den Dicken der Mörtelschicht, der Fußplatte, der Scheiben und der halben Mutternhöhe. Lb

*=

FT,Rd

8,8 · m3 · A s · n b ––––––––––––––––– ∑ℓeff,1 · t f 3 Bemessungswert der Zugtragfähigkeit eines T-Stummel-Flansches

Mpl,1,Rd = 0,25 ∑ℓeff,1 t f 2 f y / gM0 Mpl,2,Rd = 0,25

2

∑ℓeff,2 t f f y / gM0

Mbp,Rd = 0,25 ∑ℓeff,1 t bp 2 fy,bp / gM0 Q n nb

Abstützkraft = emin , jedoch n ≤ 1,25 · m  Anzahl der Schraubenreihen (mit 2 Schrauben je Reihe)

Ft,Rd ∑Ft,Rd

Bemessungswert der Zugtragfähigkeit der Schraube, siehe Tabelle 5.7 Summe aller F t,Rd der Schrauben im T-Stummel

∑ℓeff,1 Wert von ∑ℓeff für Modus 1 ∑ℓeff,2

Wert von ∑ℓeff für Modus 2

emin, m und tf sind in Abb. 5.6 dargestellt fy,bp tbp ew dw

Streckgrenze der Futterplatten (siehe Abb. 5.7) Dicke der Futterplatten = dw /4 Durchmesser der Scheibe oder Eckmaß des Schraubenkopfes oder der Mutter je nach Maßgeblichkeit

 Anmerkung: Bei Verfahren 2 wird angenommen, dass die zwischen T-Stummel-Flansch und Schraubenkopf bzw. Mutter wirkenden Kräfte gleichmäßig verteilt sind und nicht konzentriert in der Schraubenachse angreifen (siehe Skizze in Tabelle 5.9). Diese Annahme führt zu einer höheren Tragfähigkeit für Modus 1.

Die Abmessungen eines äquivalenten T-Stum-  Werte für die drei möglichen Versagensarten mel-Flansches sind in  Abb. 5.6 angegeben. Modus 1, Modus 2 und Modus 3 anzusetzen. Seine Tragfähigkeit kann mithilfe von  Tabelle Treten keine Abstützkräfte auf, ist die Zugtragfähigkeit FT,Rd eines T-Stummel-Flansches als 5.9 bestimmt werden. Wenn Abstützkräfte auftreten können, ist die Zugtragfähigkeit FT,Rd der kleinste der Werte für die beiden möglichen eines T-Stummel-Flansches als der kleinste der   Versagensarten nach Tabelle 5.9 festzulegen.

31

Merkblatt 322

 Abb. 5.6: Abmessungen eines äquivalenten T-Stummel-Flansches

 Abb. 5.7: Stützenflansch mit Verstärkungsblechen (Futterplatten)

 Abschnitt 6.2.4 der DIN EN 1993-1-8 ent- DIN EN 1993-1-8 für ausgesteifte und nicht aushält ergänzende Regelungen für Verstärkungs- gesteifte Stützenflansche sowie für Stirnbleche bleche, einzelne Schraubenreihen, Schrauben- bestimmt werden. Als Beispiel ist hier die Ergruppen und Gruppen von Schraubenreihen, mittlung wirksamer Längen für Stirnbleche die bei der Ermittlung der Tragfähigkeit zu be- in  Tabelle 5.10 dargestellt. Der Beiwert a in achten sind (siehe Abb. 5.7 ).  Abb. 5.8  wird benötigt, wenn aufgrund zusätzlicher Aussteifungen (im Vergleich zu Abb. 5.6 rechts) die Schraubenkräfte in zwei Richtungen übertragen werden können. 5.13 Stirnbleche mit Biegebeanspruchung Die Durchführung der Berechnungen wird Zur Ermittlung der Tragfähigkeit von T-Stum- mit den Berechnungsbeispielen in den Abschnitmel-Flanschen mithilfe von Tabelle 5.9 werden ten 6.5 und 6.6 erläutert.  wirksame Längen ℓeff  benötigt. Sie können nach  Tabelle 5.10: Wirksame Längen für Stirnplatten

Lage der Schraubenreihe

 Äußere Schraubenreihe neben Trägerzugflansch

32

Schraubenreihe einzeln betrachtet

Schraubenreihe als Teil einer Gruppe von Schraubenreihen

Kreisförmiges

Nicht kreisförmiges

Kreisförmiges

Muster

Muster

Muster

Nicht kreisförmiges Muster

ℓeff,cp

ℓeff,nc

ℓeff,cp

ℓeff,nc

Der kleinste Wert von: 2pmx pmx + w pmx + 2e

Der kleinste Wert von: 4mx + 1,25ex e + 2mx + 0,625ex 0,5bp 0,5w + 2mx + 0,625ex

–

–

pm + p

0,5p + am – (2m + 0,625e) (a siehe Abb. 5.8)

Innere Schraubenreihe neben Trägerzugflansch

am

2pm

 Andere innere Schraubenreihe

2pm

4m + 1,25e

2p

p

 Andere äußere Schraubenreihe

2pm

4m + 1,25e

pm + p

2m + 0,625e + 0,5p

(a siehe Abb. 5.8)

Modus 1:

ℓeff,1

= ℓeff,nc, jedoch ℓeff,1 ≤ ℓeff,cp

Σℓeff,1 = Σℓeff,nc, jedoch Σℓeff,1 ≤ Σℓeff,cp

Modus 2:

ℓeff,2

= ℓeff,nc

Σℓeff,2 = Σℓeff,nc

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

 Abb. 6.1: Anschluss einer Zuglasche

Die Zugkraft wird auf alle Schrauben gleichmäßig verteilt, so dass F v,Ed = 240 / 4 = 60 kN beträgt. Zum Nachweis ausreichender Tragfähigkeit sind das Abscheren und die Lochleibung zu untersuchen. Außerdem ist die Tragfähigkeit im Nettoquerschnitt zu überprüfen. Nachweiskriterium Abscheren:

N M16– 8.8 (Gewinde): d = 16 mm; f ub = 800 ––––––2 mm  Abb. 5.8: Beiwert a zur Ermittlung wirksamer Längen für ausgesteifte Stützenflansche und Stirnplatten

6 Bemessungsbeispiele nach DIN EN 1993-1-8

F v,Rd = a v  · f ub · A s / gM2 = 0,6 · 80 · 1,57 / 1,25 = 60,3 kN (siehe Tabelle 5.3, Gewinde in der Scherfuge) F v,Ed 60,0 –––––––– = ––––––––– = 0,995 ≤ 1,0 F v,Rd 60,3 Nachweiskriterium Lochleibung:

6.1 Vorbemerkungen In den folgenden Abschnitten werden Nach weise für sechs Berechnungsbeispiele geführt. Grundsätzlich ist dabei vorab zu klären, in welche Kategorie der geschraubte Anschluss ein zuordnen ist und welche Nachweiskriterien einzuhalten sind. Hierzu ist Tabelle 1.1 als Grundlage heranzuziehen. Für in der Praxis häufig vorkommende standardisierte Anschlüsse können die Tragfähigkeiten nach [2] bestimmt werden. Zahlreiche weitere Beispiele sowie ergänzende Erläuterungen zum Tragverhalten geschraubter Verbindungen finden sich in [4].

6.2 Anschluss Flachblech/Knotenblech Der Anschluss entspricht der Kategorie A  nach Tabelle 1.1 und ist in  Abb. 6.1 dargestellt.

Die Abstände genügen offensichtlich den Mindestabständen, da die Randabstände größer  als 1,2 d0 und die Lochabstände größer als 2,2 d0 sind. Beiwerte k 1 und ab nach Tabelle 5.4 (für alle Schrauben): p2 6,0 1,4 · –––– – 1,7 = 1,4 · ––––––– – 1,7 = 2,97 d0 1,8 e2 3,0 2,8 · –––– – 1,7 = 2,8 · ––––––– – 1,7 = 2,97 d0 1,8 2,5 p1 1 6,0 1 ––––––– – ––– = ––––––––––– – ––– = 0,86 3 · d0 4 3 · 1,8 4 e1 3,0 ––––––– = ––––––––––– = 0,55 3 · d0 3 · 1,8 f ub 80 ––– = ––––– = 2,2 f u 36 1,0

k l = 2,5

ab = 0,55

33

Merkblatt 322

Bemessungswert der Tragfähigkeit:

Nachweiskriterium Abscheren:

Fb,Rd = k l · ab · d · t · f u / gM2 = 2,5 · 0,55 · 1,6 · 1,2 · 36 / 1,25 = 76,0 kN

N M20–5.6 (Schaft): d = 20 mm; f ub = 500 –––––– mm2

Nachweis:

50 F v,Rd = 0,6 · 3,14 · ––––– = 75,4 kN 1,25

Fb,Ed 60 –––––––– = ––––––––– = 0,789 < 1,0 Fb,Rd 76,0

Nachweis mit F v,Ed = 110 / 2 = 55 kN:

 Tragfähigkeit im Nettoquerschnitt:

F v,Ed 55 –––––––– = ––––––––– = 0,730 < 1,0 F v,Rd 75,4

 A net = (12 – 2 · 1,8) · 1,2 = 10,08 cm2 0,9 · 10,08 · 36 Nu,Rd = –––––––––––––––––––––– = 261 kN 1,25

Nachweiskriterium Lochleibung:

NEd = 240 kN < Nu,Rd

6.3 Einseitig an ein Knotenblech angeschlossener Winkel

Beiwerte k 1 und ab: e2 3,6 2,8 · –––– – 1,7 = 2,8 · ––––––– – 1,7 = 2,88 d0 2,2 2,5

Für den in Abb. 6.2 abgebildeten Anschluss eines zugbeanspruchten Winkels an ein Knoten-

p1 1 7,0 1 ––––––– – ––– = ––––––––––– – ––– = 0,81 3 · d0 4 3 · 2,2 4

blech sind die Tragfähigkeitsnachweise zu füh ren. Auch in diesem Fall kann der Anschluss in die Kategorie A (Tabelle 1.1) eingeordnet

 werden. Gemäß DIN EN 1993-1-8 ist neben den Nach weisen gegen Abscheren und Lochleibung auch  die Tragfähigkeit des Profils zu untersuchen.  Wenn der Nachweis nach Abschnitt 5.10 für 

einen effektiven Nettoquerschnitt erfolgt, kann der Winkel als zentrisch belastet angesehen

 werden.

Die Mindestrand- und Lochabstände sind eingehalten (siehe Tabelle 5.5).

e1 ––––––– 3 · d0

5,0 = ––––––––––– 3 · 2,2

= 0,76

f ub ––– f u

50 = ––––– 49

= 1,02

k l = 2,5

ab = 0,76

1,0 49 Fb,Rd = 2,5 · 0,76 · 0,8 · 2,0 · –––––– 1,25 = 119,2 kN Nachweis: Fb,Ed 55 –––––––– = –––––––––– = 0,461 < 1,0 Fb,Rd 119,2

Nachweiskriterium Zugstab: Die Tragfähigkeit des mit zwei Schrauben angeschlossenen Winkels darf wie folgt bestimmt  werden: 3,18–2,5 b = 0,4 + 0,3 · ––––––––––––– (mit p1 /d = 70/22 = 3,18) 5,0 – 2,5 = 0,48  A net = 13,89 – 0,8 · 2,2 = 12,13 cm2

 Abb. 6.2: Anschluss eines auf Zug beanspruchten Winkels an ein Knotenblech

34

0,48 · 12,13 · 49 Nu,Rd = –––––––––––––––––––––––– = 228,2 kN 1,25 NEd = 110 kN < Nu,Rd

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau 6.4 Gelenkiger Trägeranschluss mit Winkel In  Abb. 6.3 ist ein gelenkiger Nebenträgeranschluss an einen Hauptträger dargestellt. Die  verwendeten Anschlusswinkel sind mit zugehörigen Maßen in  Abb. 6.4 abgebildet. Die zu übertragende Querkraft beträgt V z,Ed = 80 kN und wirkt in der Stegachse des Hauptträgers. Für den dargestellten Anschluss sind zwei  Verbindungen nachzuweisen: die Verbindungen Träger – Winkel und Winkel– Querträger. Sie  werden getrennt voneinander untersucht. Der  Gelenkpunkt liegt im Steg des Hauptträgers.  Abb. 6.4: Detail Anschlusswinkel (S 235) mit Abmessungen

Nachweiskriterium Lochleibung Nebenträger:

Der Nachweis bezüglich Lochleibung kann für jede Richtung separat geführt werden. Der  Spalt zwischen Nebenträger und Hauptträger  beträgt planmäßig 5 mm. Horizontale Richtung: e l = 5 5 – 5 = 5 0 m m el / d0 = 2,78 Mit e 2 = 46 mm e2 / d0 = 2,56 Tab. 5.4 p 2 = 110 mm p2 / d0 = 6,11 k l · ab =2,3 Fb,Rd = 2,3 · 0,71 · 1,6 · 36 / 1,25 = 75,2 kN Fb,Ed 45,1 –––––––– = ––––––––– = 0,600 Fb,Rd 75,2 → → →

 Abb. 6.3: Anschluss eines Nebenträgers an einen Hauptträger mit Winkeln

 Verbindung Nebenträger – Winkel:

Schnittgrößen im Schwerpunkt des Winkelanschlusses:  V z,Ed = 80 kN M y,Ed = 80 · (5,5 + 1,4 / 2) = 496 kNcm Schraubenkräfte in x- und z-Richtung sowie Resultierende:  V z,Ed,i  V x,Ed,i  V R,Ed,i

= 80 / 2 = 40 kN = 496 / 11 = 45,1 kN −−−−−−−−−−−− = √ 402 + 45,12 = 60,3 kN

Nachweis Abscheren: F v,Rd,i = 2 · 96,5 = 193 kN (siehe Tabelle 5.3, Schaft in den Scherfugen, 2 Scherfugen) F v,Ed,i –––––––––– F v,Rd,i

 Vertikale Richtung: e l = 46 mm Mit Tab. 5,4 p 1 = 110 mm k l · a b =2,1 e2 = 55 – 5 = 50 mm Fb,Rd = 2,1 · 0,71 · 1,6 · 36 / 1,25 = 68,7 kN Fb,Ed 40 –––––––– = ––––––––– = 0,582 Fb,Rd 68,7 Nachweiskriterium Lochleibung Winkel:

Horizontale Richtung: el = 35 mm → el / d0 = 1,94 Mit e2 = 45 mm → e2 / d0 = 2,50 Tab. 5.4 p2 = 110 mm → p2 / d0 = 6,11 k l · ab =1,6 Fb,Rd = 1,6 · 0,9 · 1,6 · 36 / 1,25 = 66,4 kN Fb,Ed 45,1 /2 –––––––– = –––––––––––––– = 0,340 < 1,0 Fb,Rd 66,4  Vertikale Richtung: analog zur horizontalen Richtung, o.w.N.

60,3 = ––––––––– = 0,312 < 1,0 193

35

Merkblatt 322  Verbindung Winkel – Hauptträger:

 Abb. 6.5: Biegesteifer Stoß eines HEB 260

Steg:  V z = 180 kN M y,versatz = 180 · (10 + 7) / 2 = 1530 kNcm

Schnittgrößen im Schwerpunkt des Schraubenbildes:  V z,Ed = 80 / 2 = 40 kN  Verbindung Untergurt – Lasche: Mx,Ed = 40 · (5,5 + 0,71 / 2) = 234,2 kNcm Für die Bemessung der FlanschverbindunDa die Schraubenkräfte hinsichtlich des gen ist die Laschenverbindung des unteren Flan Abscherens in etwa identisch oder kleiner sind, sches maßgebend. ist der Nachweis offensichtlich erfüllt. Ähnlich   verhält es sich mit dem Nachweis bezüglich  Nachweiskriterium Abscheren: Lochleibung, der im vorliegenden Fall nicht F 785/6  v,Ed maßgebend wird. Neben den Nachweisen für  –––––––– = ––––––––––––– = 0,60 < 1,0 217 die geschraubte Verbindung ist auch die Quer- F v,Rd schnittstragfähigkeit des Winkels und des ausNachweiskriterium Lochleibung: geklinkten Trägers zu untersuchen. el  / d0 = 50 / 26 = 1,92 e2 / d0 = 60 / 26 = 2,30 Nach Tab. 5.4 p1 / d0 = 70 / 26 = 2,69 k l · ab =1,60 6.5 Biegesteifer Stoß mit Laschen p2 / d0 = 140 / 26 = 5,38 Im Folgenden wird der biegesteife LaschenMaßgebend ist der Trägerflansch stoß gemäß  Abb. 6.5 betrachtet. Neben der mit tf  = 17,5 mm. Zugkraft NEd = 250 kN sind das Biegemoment 785/6 M y,Ed = 160 kNm und die Querkraft V z,Ed =180kN Fb,Ed – – – – – – – – = – – – – – – – – – – – – – – – – – – ––––––––––––––––––––––– = 0,676 < 1,0 zu übertragen. Der Anschluss entspricht der Kate- Fb,Rd 1,6 · 1,75 –·––2,4 · 36 / 1,25 gorie A nach Tabelle 1.1. Tragfähigkeit des unteren Flansches: 0,9·(26–2·2,6)·1,75·36 NUG,Rd = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– = 944 kN 1,25 NUG,Ed = 785 kN < Nu,Rd  Verbindung Steg – Lasche:

Die maximalen Schraubenkraftkomponenten in x- und z-Richtung betragen (Tabelle 4.1: a = 0,5; b = 1): 1530 0,5 Fx,Ed = ––––––– · –––––––––––––––––––––––––2– = 54,2 kN 8 1 + 1 · (7,0 / 8,0)

 Teilschnittgrößen:

Zunächst werden die Beanspruchungen der  Gurte und des Steges ermittelt. Die Normalkraft und das Biegemoment werden den Gurten zugeteilt. Die Querkraft wird dem Steg zugewiesen. Dabei ist das Versatzmoment von der Stoßmitte bis zum Schwerpunkt des Schraubenbildes zu berücksichtigen. Flansch oben: 250 16000 NOG = –––––– – –––––––––––––––– = – 535 kN 2 (26 – 1,75) Flansch unten: 250 16000 NUG = –––––– + –––––––––––––––– = 785 kN 2 (26 – 1,75)

36

180 7,0 Fz,Ed = –––––– + 54,2 · ––––– = 92,4 kN 4 8,0 Nachweiskriterium Abscheren für die zweischnittige Verbindung (m = 2):

−−−−−−−−−−−−−− F v,Ed √ 54,22 + 92,42 107,1 –––––––– = –––––––––––––––––––––– = –––––––– = 0,247 < 1,0 F v,Rd 217 · 2 434 Nachweiskriterium Lochleibung:  Vertikale Komponente: el  / d0 = 45/ 26 = 1,73 e2 / d0 = 50 / 26 = 1,93 Nach Tab. 5.4 p1 / d0 = 80 / 26 = 3,08 k l · ab =1,19 p2 / d0 = 70/26 = 2,69

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau Laschen: Fb,Ed 92,4 –––––––– = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– = 0,702 < 1,0 Fb,Rd 1,19·0,8·2·2,4·36/1,25 Steg: e1 /d0 > 3,0; e2 / d0 = 45/ 26 = 1,73 k 1 · ab = 1,6 →

Fb,Ed 92,4 –––––––– = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– = 0,836 < 1,0 Fb,Rd 1,6 · 1,0 · 2,4 · 36/ 1,25 Horizontale Komponente: Bei analoger Vorgehensweise erhält man: Fb,Ed / Fb,Rd = 54,2/ (1,44 · 1,0 · 2,4 · 36/1,25) = 0,55  Abb. 6.7: T-Stummel des Anschlusses von einem Zugstabflansch

6.6 Anschluss eines Zugstabes mit Stirnplatte Ein vertikaler Zugstab soll an einen horizontal liegenden Träger mithilfe einer Stirnplattenverbindung angeschlossen werden, siehe  Abb. 6.6. Die Verbindung soll aus Gründen der  Gebrauchstauglichkeit planmäßig vorgespannt  werden. Sie entspricht der Kategorie E nach Tabelle 1.1.

Mpl,Rd = 0,25 · leff  · tp2 · f  y  / gM0 = 0,25 · 17 · 22 · 23,5 / 1,0 = 400 kNcm Ft,Rd = 176,4 kN Tragfähigkeit des T-Stummels nach Tabelle 5.9 (vereinfacht, ohne den Steg des IPE 300): Lb = 2,0 + 2,6 + 2 · 0,4 + 1,6/ 2 + 1,3/ 2 = 6,85 cm 8,8 · 3,173 · 2 , 4 5 · 2 Lb* = –––––––––––––––––––––––––––– = 10,1 cm 17,0 · 2,03  Wegen Lb < Lb* können Abstützkräfte auftreten. 4 · 400 FT,1,Rd = ––––––––––– 3,17 = 505,0 kN 2 · 400 + 3,0 · 4 · 176,4 FT,2,Rd = ––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3,17 + 3,0 = 473,0 kN (maßgebend) FT,3,Rd = 4 · 176,4 = 705,6 kN Nachweis des T-Stummels: NEd 400 –––––––– = ––––––– = 0,846 < 1,0 FT,Rd 473

6.7 Biegesteifer Stoß mit Stirnplatten Der in  Abb. 6.8 dargestellte Stoß (Kategorien A und E nach Tabelle 1.1) eines IPE 400 mit überstehenden Stirnplatten ist für die folgenden Für die Nachweisführung wird der Anschluss Einwirkungen nachzuweisen: in zwei T-Stummel-Anschlüsse mit jeweils vier  M y,Ed = 185 kNm Schrauben aufgeteilt, siehe  Abb. 6.7. Die Zug-  V z,Ed = 100 kN kraft wird zu gleichen Teilen auf die Gurte auf Wie bei dem vorherigen Beispiel wird das geteilt und der günstige Einfluss des Steges wird T-Stummel-Modell verwendet und es wird der   vernachlässigt. günstige Einfluss des Steges vernachlässigt. Den  Abb. 6.6: Anschluss eines Zugstabes mit Stirnplatte

37

Merkblatt 322 Nachweiskriterium Abscheren: F v,Ed = 100 / 2 = 50 kN < 150,7 kN = F v,Rd (siehe Tabelle 5.3, Schaft in der Scherfuge) Nachweiskriterium Lochleibung: Mit e2 / d0 = 45 / 22 = 2,05 ergibt sich ab · k 1 = 2,5, so dass Fb,Rd für 1 cm Blechdicke aus Tabelle 5.6 abgelesen werden kann. F v,Ed = 50 kN < 114 · 2,0 = 228 kN = F b,Rd

 Abb. 6.8: Biegesteifer Stoß eines IPE 400 mit Stirnplatten

7 Normen

DIN EN 1090-2 beiden oberen Schrauben wird die Übertra-  Ausführung von Stahltragwerken und Aluminigung der Querkraft zugewiesen, die daher der  umtragwerken – Teil 2: Technische Regeln für  Kategorie A nach Tabelle 1.1 zuzuordnen sind. die Ausführung von Stahltragwerken (2011-10) Die Schrauben am Untergurt werden gemäß  Abschnitt 4.6 durch Zugkräfte beansprucht und DIN EN 1993-1-1 zusätzlich vorgespannt (Kategorie E). Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Teil 1-1: Allgemeine BemessungsDie Zugnormalkraft im unteren Flansch beträgt: regeln und Regeln für den Hochbau (2010-12) NEd = 18500 / (40– 1,35) = 478,6 kN mit NA (2010-12) Für die Berechnung der Tragfähigkeit des T-Stummels werden folgende Werte benötigt: n = e = 3,0 cm leff  = b = 18 cm − m = (9,5 – 1,35) / 2 – 0,8 · 0,9 · √ 2 = 3,06 cm Ft,Rd = 176,4 kN Mpl,Rd = 0,25 · 22 · 18 · 23,5 / 1,0 = 423 kNcm

DIN EN 1993-1-8 Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen (2010-12) mit NA (12-2010)

DIN EN 14399 Hochfeste planmäßig vorspannbare Schrauben verbindungen für den Metallbau Bemessungswert der Tragfähigkeit unter  – Teil 1: Allgemeine Anforderungen (2006-06) der Annahme, dass sich Abstützkräfte ausbilden – Teil 2: Prüfung der Eignung zum Vorspannen können: (2006-06) – Teil 3: System HR – Garnituren aus Sechskant4 · 423 FT,1,Rd = ––––––––––– schrauben und -muttern (2006-06) 3,06 – Teil 4: System HV – Garnituren aus Sechskant= 553 kN schrauben und -muttern (2006-06) 2 · 423 + 3,0 · 4 · 176,4 – Teil 5: Flache Scheiben (2006-06) FT,2,Rd = ––––––––––––––––––––––––––––––––––– – Teil 6: Flache Scheiben mit Fase (2006-06) 3,06 + 3,0 – Teil 7: System HR – Garnituren aus Senkschrau= 489 kN (maßgebend) ben und Muttern (2008-03) FT,3,Rd = 4 · 176,4 = 705,6 kN – Teil 8: System HV – Garnituren aus SechskantPassschrauben und Muttern (2008-03) Nachweis des T-Stummels: – Teil 9: System HR oder HV – Direkte Kraftanzeiger für Garnituren aus Schrauben und NEd 478,6 –––––––– = –––––––––– = 0,979 < 1,0 Muttern (2009-07) FT,Rd 489 – Teil 10: System HRC – Garnituren aus Schrauben und Muttern mit kalibrierter VorspanDie Querkraft wird den beiden Schrauben nung (2009-07) im Bereich des oberen Trägerflansches zuge wiesen.

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Geschraubte Verbindungen im Stahlbau DIN EN 15048-1 Garnituren für nicht planmäßig vorgespannte Schraubenverbindungen für den Metallbau – Teil 1: Allgemeine Anforderungen (2007-07) DIN EN 20898-2 Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen – Teil 2: Muttern mit festgelegten Prüfkräften; Regelgewinde (1994-02) DIN EN ISO 286-2 Geometrische Produktspezifikation (GPS) – ISOToleranzsystem für Längenmaße – Teil 2: Tabellen der Grundtoleranzgrade und Grenzabmaße für Bohrungen und Wellen (2010-11) DIN EN ISO 898-1 Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl – Teil 1: Schrauben mit festgelegten Festigkeitsklassen – Regelgewinde und Feingewinde (2009-08)

DIN EN ISO 7091 Flache Scheiben – Normale Reihe, Produktklasse C (2000-11) DIN ISO 724 Metrische ISO-Gewinde allgemeiner Anwendung – Grundmaße (ISO 724:1993 + Cor. 1:2009) (2010-01) DIN ISO 965-1 Metrisches ISO-Gewinde allgemeiner Anwendung – Toleranzen – Teil 1: Prinzipien und Grundlagen (1999-11) DIN ISO 1891 Mechanische Verbindungselemente – Benennungen (2009-09)

8 Literatur

DIN EN ISO 4014 Sechskantschrauben mit Schaft – Produktklassen  A und B (2011-06)

[1] Oberegge, O., Hockelmann, H.-P.: Bemessungshilfen für profilorientiertes Konstruieren. Stahlbau-Verlagsgesellschaft mbH, 3. Auflage, Köln 1997

DIN EN ISO 4016 Sechskantschrauben mit Schaft – Produktklasse C (2011-06)

[2] Typisierte Anschlüsse im Stahlhochbau. Stahlbau-Verlagsgesellschaft, 2. Auflage, Düsseldorf 2002

DIN EN ISO 4017 [3] Schmidt, H., Stranghöner, N.: Sechskantschrauben mit Gewinde bis Kopf – Pro-  Ausführung geschraubter Verbindungen nach  duktklassen A und B (2011-07) DIN EN 1090-2. Stahlbau-Kalender 2011, Verlag Ernst & Sohn, Berlin 2011 DIN EN ISO 4018 Sechskantschrauben mit Gewinde bis Kopf – Pro- [4] Kindmann, R., Stracke, M.:  Verbindungen im Stahl- und Verbundbau. Verlag duktklasse C (2011-07) Ernst & Sohn, 2. Auflage, Berlin 2009 DIN EN ISO 4032 Sechskantmuttern, Typ 1 – Produktklassen A und [5] Kindmann, R., Kraus, M., Niebuhr, H. J.: B (2012-05) Stahlbau kompakt. Verlag Stahleisen, 2. Auflage, Düsseldorf 2008 DIN EN ISO 4033 Sechskantmuttern, Typ 2 – Produktklassen A und [6] Schneider, S., Ungermann, D.: B (2012-05) Geschraubte Anschlüsse und Verbindungen nach  DIN EN 1993-1-8. Stahlbau 89, Verlag Ernst &  DIN EN ISO 4034 Sohn, Berlin 2010 Sechskantmuttern – Produktklasse C (2012-06) [7] Weynand, K., Stark, S.:  Anwendungen von Schrauben im Stahlbau. MerkDIN EN ISO 7089 Flache Scheiben – Normale Reihe, Produktklasse blatt 322, Stahl-Informations-Zentrum, Düssel A (2000-11) dorf 2001 DIN EN ISO 7090 Flache Scheiben mit Fase – Normale Reihe, Produktklasse A (2000-11)

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