In verschiedenen baulichen Situationen müssen Ingenieure die Festigkeit von Verbindungen beurteilen, die durch Schweißnähte und mechanische Verbindungselemente hergestellt wurden. Heutzutage werden für mechanische Verbindungselemente üblicherweise Schrauben verwendet, ältere Konstruktionen können jedoch Nieten aufweisen.
Dies kann bei Modernisierungen, Renovierungen oder Erweiterungen eines Projekts vorkommen. Eine neue Konstruktion kann das Verschrauben und Verschweißen von Bauteilen erfordern, um eine optimale Verbindung zu gewährleisten. Dabei werden die zu verbindenden Materialien zunächst verschraubt und anschließend verschweißt, um der Verbindung die volle Festigkeit zu verleihen.
Die Bestimmung der Gesamttragfähigkeit einer Verbindung ist jedoch nicht so einfach wie die Summe der Einzelkomponenten (Schweißnähte, Schrauben und Nieten). Eine solche Annahme könnte katastrophale Folgen haben.
Schraubverbindungen werden in der Spezifikation für Stahlbauverbindungen des American Institute of Steel Structures (AISC) beschrieben, die Schrauben nach ASTM A325 oder A490 zur Festmontage, Vorspannung oder als Gleitkeil verwendet.
Fest angezogene Verbindungen sollten mit einem Schlagschrauber oder einem herkömmlichen Doppelschlüssel nachgezogen werden, um einen festen Kontakt der Schichten zu gewährleisten. Bei einer vorgespannten Verbindung sind die Schrauben so eingebaut, dass sie erheblichen Zugkräften und die Platten Druckkräften ausgesetzt sind.
1. Die Mutter drehen. Zum Drehen der Mutter wird die Schraube festgezogen und anschließend die Mutter um ein weiteres Stück gedreht, dessen Länge vom Durchmesser und der Länge der Schraube abhängt.
2. Kalibrieren Sie den Schlüssel. Die Methode mit dem kalibrierten Drehmomentschlüssel misst das Drehmoment, das mit der Schraubenspannung verbunden ist.
3. Drehspannschraube. Drehspannschrauben besitzen am Schraubenende gegenüber dem Kopf kleine Bolzen. Sobald das erforderliche Drehmoment erreicht ist, wird der Bolzen herausgeschraubt.
4. Zugindex. Direkte Zugindikatoren sind spezielle Unterlegscheiben mit Laschen. Der Kompressionsgrad der Lasche zeigt die auf die Schraube wirkende Zugkraft an.
Vereinfacht ausgedrückt: Schrauben wirken in festen und vorgespannten Verbindungen wie Stifte, ähnlich wie eine Stecknadel, die einen Stapel Lochpapier zusammenhält. Kritische Gleitverbindungen funktionieren durch Reibung: Die Vorspannung erzeugt eine Anpresskraft, und die Reibung zwischen den Kontaktflächen wirkt dem Verrutschen der Verbindung entgegen. Es ist wie bei einem Ordner, der einen Papierstapel zusammenhält – nicht weil Löcher in das Papier gestanzt sind, sondern weil der Ordner die Blätter zusammenpresst und die Reibung den Stapel zusammenhält.
ASTM A325-Schrauben weisen je nach Schraubendurchmesser eine Mindestzugfestigkeit von 150 bis 120 kg/Quadratzoll (KSI) auf, während A490-Schrauben eine Zugfestigkeit von 150 bis 170 KSI aufweisen müssen. Nietverbindungen verhalten sich ähnlich wie Schraubverbindungen, jedoch sind die verwendeten Stifte in diesem Fall Nieten, die typischerweise etwa halb so fest wie eine A325-Schraube sind.
Bei einer mechanisch befestigten Verbindung unter Scherbeanspruchung (wenn ein Element aufgrund einer Krafteinwirkung über ein anderes gleitet) können zwei Dinge passieren. Zum einen können sich die Schrauben oder Nieten seitlich in den Bohrungen befinden und dabei gleichzeitig abscheren. Zum anderen kann die Reibung, die durch die Klemmkraft der vorgespannten Verbindungselemente entsteht, die Scherkräfte aufnehmen. Ein Gleiten ist bei dieser Verbindung zwar nicht zu erwarten, aber möglich.
Eine dichte Verbindung ist für viele Anwendungen akzeptabel, da geringfügiges Verrutschen die Verbindungseigenschaften nicht beeinträchtigt. Nehmen wir beispielsweise ein Silo zur Lagerung von Schüttgut. Beim ersten Beladen kann es zu geringfügigem Verrutschen kommen. Tritt dieses Verrutschen einmal auf, ist es nicht wiederzuerkennen, da alle nachfolgenden Belastungen gleichartig sind.
Lastumkehr wird in einigen Anwendungen genutzt, beispielsweise wenn rotierende Elemente abwechselnd Zug- und Druckkräften ausgesetzt sind. Ein weiteres Beispiel ist ein Biegeelement, das vollständig wechselhaften Belastungen ausgesetzt ist. Bei einer signifikanten Änderung der Lastrichtung kann eine vorgespannte Verbindung erforderlich sein, um zyklisches Gleiten zu verhindern. Dieses Gleiten führt schließlich zu weiterem Gleiten in den länglichen Bohrungen.
Manche Verbindungen sind vielen Lastzyklen ausgesetzt, was zu Materialermüdung führen kann. Beispiele hierfür sind Pressen, Kranstützen und Brückenverbindungen. Gleitfeste Verbindungen sind erforderlich, wenn die Verbindung Ermüdungsbelastungen in umgekehrter Richtung ausgesetzt ist. Unter diesen Bedingungen ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Verbindung nicht verrutscht; daher werden gleitfeste Verbindungen benötigt.
Bestehende Schraubverbindungen können nach allen diesen Normen konstruiert und gefertigt werden. Nietverbindungen gelten als dicht.
Schweißverbindungen sind starr. Lötverbindungen sind heikel. Im Gegensatz zu fest sitzenden Schraubverbindungen, die unter Last verrutschen können, müssen Schweißnähte die einwirkende Last nicht so stark dehnen und verteilen. In den meisten Fällen verformen sich geschweißte und kugelgelagerte mechanische Verbindungselemente nicht auf die gleiche Weise.
Bei der Verwendung von Schweißnähten in Kombination mit mechanischen Verbindungselementen wird die Last über das härtere Bauteil übertragen, sodass die Schweißnaht nahezu die gesamte Last tragen kann und nur ein geringer Teil mit der Schraube geteilt wird. Daher ist beim Schweißen, Verschrauben und Vernieten besondere Sorgfalt geboten. Die Norm AWS D1 regelt die Problematik der Kombination von mechanischen Verbindungselementen und Schweißnähten. Die Norm 1:2000 für das Schweißen von Stahlkonstruktionen legt in Abschnitt 2.6.3 fest, dass bei Nieten oder Schrauben in tragenden Verbindungen (d. h. wenn die Schraube oder Niete als Bolzen wirkt) die mechanischen Verbindungselemente nicht als lastteilend mit der Schweißnaht gelten. Wird geschweißt, müssen die Verbindungen die gesamte Last der Verbindung tragen. Verbindungen, bei denen ein Bauteil geschweißt und ein anderes genietet oder verschraubt ist, sind jedoch zulässig.
Bei der Verwendung von lagertragenden mechanischen Verbindungselementen und dem Hinzufügen von Schweißnähten wird die Tragfähigkeit der Schraube weitgehend vernachlässigt. Gemäß dieser Vorschrift muss die Schweißnaht so ausgelegt sein, dass sie alle Lasten aufnimmt.
Dies entspricht im Wesentlichen AISC LRFD-1999, Abschnitt J1.9. Die kanadische Norm CAN/CSA-S16.1-M94 erlaubt jedoch auch die eigenständige Verwendung, wenn die Kraft des mechanischen Verbindungselements oder der Schraube höher ist als die des Schweißens.
In diesem Zusammenhang sind drei Kriterien konsistent: Die Möglichkeiten mechanischer Befestigungen vom Lagertyp und die Möglichkeiten von Schweißverbindungen addieren sich nicht.
Abschnitt 2.6.3 der AWS D1.1 behandelt auch Fälle, in denen Schrauben und Schweißnähte in einer zweiteiligen Verbindung kombiniert werden können, wie in Abbildung 1 dargestellt. Links befinden sich die Schweißnähte, rechts die Schrauben. Die Gesamtkraft von Schweißnähten und Schrauben kann hierbei berücksichtigt werden. Jeder Teil der gesamten Verbindung arbeitet unabhängig. Daher stellt dieser Code eine Ausnahme von dem im ersten Teil von 2.6.3 beschriebenen Prinzip dar.
Die soeben besprochenen Regeln gelten für Neubauten. Für bestehende Bauwerke besagt Abschnitt 8.3.7 D1.1, dass, wenn statische Berechnungen ergeben, dass eine Niete oder ein Bolzen durch eine neue Gesamtlast überlastet wird, ihm nur die bestehende statische Last zugewiesen werden darf.
Nach denselben Regeln gilt: Wenn eine Niete oder ein Bolzen nur mit statischen Lasten überlastet oder zyklischen (Ermüdungs-)Lasten ausgesetzt ist, müssen ausreichend Grundmetall und Schweißnähte hinzugefügt werden, um die Gesamtlast zu tragen.
Die Lastverteilung zwischen mechanischen Verbindungselementen und Schweißnähten ist zulässig, wenn die Konstruktion vorgespannt ist, d. h. wenn zwischen den verbundenen Elementen ein Gleiten aufgetreten ist. Mechanische Verbindungselemente dürfen jedoch nur statische Lasten aufnehmen. Nutzlasten, die zu einem größeren Gleiten führen können, müssen durch Schweißnähte, die die gesamte Last aufnehmen können, abgefangen werden.
Schweißnähte müssen allen einwirkenden oder dynamischen Belastungen standhalten. Bei bereits überlasteten mechanischen Verbindungselementen ist eine Lastverteilung unzulässig. Auch bei zyklischer Belastung ist eine Lastverteilung nicht zulässig, da dies zu dauerhaftem Verrutschen und Überlastung der Schweißnaht führen kann.
Abbildung. Betrachten wir eine ursprünglich verschraubte Überlappungsverbindung (siehe Abbildung 2). Durch die zusätzliche Belastung müssen weitere Verbindungen und Verbinder hinzugefügt werden, um die Festigkeit zu verdoppeln. Abbildung 3 zeigt den grundlegenden Plan zur Verstärkung der Bauteile. Wie sollte die Verbindung hergestellt werden?
Da der neue Stahl mittels Kehlnähten mit dem alten Stahl verbunden werden musste, entschied der Ingenieur, an der Verbindungsstelle zusätzliche Kehlnähte anzubringen. Da die Schrauben noch vorhanden waren, war ursprünglich geplant, nur die Schweißnähte zu setzen, die zur Übertragung der zusätzlichen Kraft auf den neuen Stahl erforderlich waren. Dabei wurde erwartet, dass 50 % der Last über die Schrauben und 50 % über die neuen Schweißnähte übertragen werden. Ist das zulässig?
Nehmen wir zunächst an, dass aktuell keine statischen Lasten auf die Verbindung angewendet werden. In diesem Fall gilt Abschnitt 2.6.3 von AWS D1.1.
Bei dieser lagerartigen Verbindung können Schweißnaht und Schraube nicht als lastteilend betrachtet werden. Daher muss die Schweißnaht so dimensioniert sein, dass sie die gesamte statische und dynamische Last aufnehmen kann. Die Tragfähigkeit der Schrauben kann in diesem Beispiel nicht berücksichtigt werden, da die Verbindung ohne statische Last locker ist. Die Schweißnaht (ausgelegt für die halbe Last) reißt zunächst, wenn die volle Last aufgebracht wird. Anschließend versucht die Schraube, die ebenfalls für die halbe Last ausgelegt ist, die Last zu übertragen und bricht.
Es wird weiterhin angenommen, dass eine statische Last wirkt. Zudem wird davon ausgegangen, dass die bestehende Verbindung die vorhandene ständige Last aufnehmen kann. In diesem Fall gilt Absatz 8.3.7 D1.1. Neue Schweißnähte müssen lediglich erhöhten statischen und allgemeinen Nutzlasten standhalten. Vorhandene Eigenlasten können den vorhandenen mechanischen Verbindungselementen zugeordnet werden.
Unter konstanter Last gibt die Verbindung nicht nach. Die Bolzen tragen bereits ihre Last. Es ist zu einem gewissen Schlupf in der Verbindung gekommen. Daher können Schweißnähte verwendet werden, die dynamische Lasten übertragen können.
Die Antwort auf die Frage „Ist das akzeptabel?“ hängt von den Lastbedingungen ab. Im ersten Fall, ohne statische Last, ist die Antwort negativ. Unter den spezifischen Bedingungen des zweiten Szenarios ist die Antwort positiv.
Allein aufgrund der Anlegung einer statischen Last lassen sich nicht immer Schlussfolgerungen ziehen. Die Höhe der statischen Lasten, die Eignung vorhandener mechanischer Verbindungen und die Art der Endlasten – ob statisch oder zyklisch – können das Ergebnis beeinflussen.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Leiter des Schweißtechnologiezentrums, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric produziert weltweit Schweißgeräte und Schweißzusatzwerkstoffe. Die Ingenieure und Techniker des Schweißtechnologiezentrums unterstützen Kunden bei der Lösung von Schweißproblemen.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, Telefon 305-443-9353, Fax 305-443-7559, Website www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, Telefon 610-832-9585, Fax 610-832-9555, Website www.astm.org.
American Steel Structures Association, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, Telefon 312-670-2400, Fax 312-670-5403, Website www.aisc.org.
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