MB 322 Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

Merkblatt 322

Geschraubte Verbindungen im Stahlbau

Stahl-Informations-Zentrum

322 Geschraubte Verb 110712_D 322 12.07.12 09:30 Seite 1

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Merkblatt 322

Stahl-Informations-Zentrum

Das Stahl-Informations-Zentrum ist eine Gemeinschaftsorganisation Stahl erzeugenderund verarbeitender Unternehmen. Markt- undanwendungsorientiert werden firmenneutraleInformationen über Verarbeitung und Einsatzdes Werkstoffs Stahl bereitgestellt.

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Als individueller Service werden auch Kon-takte zu Instituten, Fachverbänden sowie Spezia-listen aus Forschung und Industrie vermittelt.

Die Pressearbeit richtet sich an Fach-, Tages- und Wirtschaftsmedien und informiertkontinuierlich über neue Werkstoffentwicklun-gen und -anwendungen.

Das Stahl-Informations-Zentrum zeichnetbesonders innovative Anwendungen mit demStahl-Innovationspreis (www.stahl-innovationspreis.de) aus. Er ist einer der bedeutendstenWettbewerbe seiner Art und wird alle drei Jahreausgelobt.

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Impressum

Merkblatt 322„Geschraubte Verbindungen im Stahlbau“Ausgabe 2012, ISSN 0175-2006

Herausgeber: Stahl-Informations-Zentrum,Postfach 10 48 42, 40039 Düsseldorf

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Rolf Kindmann,Ruhr Universität Bochum,Lehrstuhl für Stahl-, Holz- und LeichtbauProf. Dr.-Ing. Jan Vette,Fachhochschule Münster, Fachbereich Bauingenieurwesen

Redaktion: Stahl-Informations-Zentrum

Ein Nachdruck dieser Veröffentlichung ist –auch auszugsweise – nur mit schriftlicher Ge-nehmigung des Herausgebers und bei Quellen-angabe gestattet. Die zugrunde liegenden Infor-mationen wurden mit größter Sorgfalt recher-chiert und redaktionell bearbeitet. Eine Haftungist jedoch ausgeschlossen.

DIN-Normen: Wiedergegeben mit Erlaubnisdes DIN Deutsches Institut für Normung e.V.Maßgebend für das Anwenden der DIN-Normist die Fassung mit dem neuesten Ausgabe -datum, die bei der Beuth Verlag GmbH, Burg -grafen straße 6, 10787 Berlin, erhältlich ist.

InhaltSeite

1 Einleitung und Übersicht .......................... 22 Schrauben, Muttern und Scheiben ............ 73 Herstellen von geschraubten Verbindungen ..................... 16

4 Kraftübertragung und Tragverhalten ........ 205 Bemessung nach DIN EN 1993-1-8 ........... 256 Bemessungsbeispiele nach DIN EN 1993-1-8 .............................. 33

7 Normen ..................................................... 388 Literatur .................................................... 39

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1 Einleitung und Übersicht

1.1 Einführung

Stahltragwerke bestehen in der Regel ausTrägern, Stützen und Rahmen, die aus Blechenund gewalzten Profilen hergestellt werden. Fürdie erforderlichen Verbindungen, Stöße, An-schlüsse und Befestigungen werden geeigneteTechniken benötigt, die die Ausführung wirt-schaftlicher und dauerhafter Konstruktionenermöglicht.

Alte Stahlkonstruktionen belegen, dass manVerbindungen früher ausschließlich mit Nie-ten hergestellt hat. Da sie keine Zugkräfte auf-nehmen konnten, musste man so konstruieren,dass sie nur durch Scherkräfte beansprucht wur-den, also nur durch Kräfte senkrecht zur Niet-achse. Von wenigen Ausnahmen abgesehenkommen Nietverbindungen heutzutage nichtmehr zum Einsatz. Aus wirtschaftlichen Gründensind sie schon seit langem durch geschweißteund geschraubte Verbindungen ersetzt worden.

Aufgrund der runden, stiftartigen Formsind Nieten und Schrauben unmittelbar mitein-ander vergleichbar. Dies galt zeitweise auchfür das Tragverhalten, weil man Schrauben zu-nächst so angeordnet hat, dass sie wie Nietennur durch Scherkräfte beansprucht wurden. DieWeiterentwicklung der Konstruktionstechnikenund Schraubenfestigkeiten hat zwischenzeit-lich zu einem weiteren Wandel geführt: Heut-zutage können Schrauben sowohl Scherkräfteals auch Zugkräfte aufnehmen. Diese Entwick-lung ist auch an den einschlägigen Normen fürStahlbauten erkennbar. In den Regelungen vonDIN 18800 stehen Scher-/Lochleibungsverbin-dungen im Vordergrund, was dort insbesonderedurch die Einteilung in sechs Ausführungsformenvon geschraubten Verbindungen deutlich wird.In DIN EN 1993-1-8, die die DIN 18800 abgelösthat, werden scher- und zugbeanspruchte Verbin-dungen mit Schrauben gleichrangig behandelt.Grundlage der folgenden Ausführungen ist dieDIN EN 1993-1-8 in Verbindung mit dem natio-nalen Anhang für Deutschland. Darüber hinauswerden die aktuellen Produktnormen für Schrau-ben und die DIN EN 1090-2 heran gezogen.

Dieses Merkblatt richtet sich an Studenten,Ingenieure und Architekten. Es betrifft Stahl-bauten im Sinne der DIN EN 1993 (Eurocode 3)und gilt für die Bemessung und Konstruktiontragender Bauteile aus Stahl. Für Bauteile mitnicht vorwiegend ruhender Belastung sind zu-sätzliche Regelungen zu beachten, ebenso wiezusätzliche Bestimmungen in den entsprechen-den Teilen der DIN EN 1993 oder in den Vor-

schriften der Bahn. Auf solche Regeln wird indiesem Merkblatt nicht eingegangen. Das Merk-blatt behandelt die im Stahlbau üblichen Schrau-ben mit metrischem Gewinde und Sechskant-köpfen der Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 8.8 und10.9 sowie die zugehörigen Sechskantmutternund Scheiben, siehe Tabelle 2.5.

1.2 Inhalt der Kapitel

1.2.1 Einleitung und Übersicht

Nach einer allgemeinen Einführung in dieThematik wird die prinzipielle Vorgehensweisebei der Bemessung geschraubter Verbindungenanhand eines Einführungsbeispiels beschrieben,und es wird auf Grundsätze für die konstruktiveAusbildung und die Berechnungen hingewie-sen. Darüber hinaus werden die Kategorienfür geschraubte Verbindungen nach DIN EN1993-1-8 und die verwendeten Bezeichnungenzusammengestellt.

1.2.2 Schrauben, Muttern und Scheiben

Dieses Kapitel enthält Informationen zuden Produkten, die in Schraubengarnituren zuverwenden sind. Im Wesentlichen geht es dabeium die entsprechenden Normen, Abmessungenund Festigkeiten.

1.2.3 Herstellung

Die Herstellung geschraubter Verbindungenwird erläutert, aber auch die Darstellung aufZeichnungen vermittelt, und es werden Hin-weise zum Korrosionsschutz und zur Vorspan-nung gegeben.

1.2.4 Kraftübertragung und Tragverhalten

Das Kapitel enthält Erläuterungen zur Be-rechnung von Kräften in den Schrauben einerVerbindung, zur Übertragung der Schnittgrößenund zum Tragverhalten einzelner Schrauben.

1.2.5 Bemessung nach DIN EN 1993-1-8

Hier sind die wichtigsten Grundlagen für nor-mengerechte Nachweise zusammengestellt. DasKapitel enthält Berechnungsformeln und Tabel-len mit den Bemessungswerten der Tragfähigkeiteinzelner Schrauben nach DIN EN 1993-1-8.


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1.2.6 Bemessungsbeispiele

Mithilfe von sechs Bemessungsbeispielenwird die Durchführung der erforderlichen Nach-weise erläutert.

1.3 Einführungsbeispiel

Bei der konstruktiven Ausbildung und derBemessung geschraubter Verbindungen sinddie folgenden Grundsätze zu beachten:– Stöße und Anschlüsse sollen gedrungen aus-

gebildet werden.– Es ist eine unmittelbare und symmetrische

Stoßdeckung anzustreben.– Versatzmomente sollten möglichst vermieden

werden.– Die einzelnen Querschnittsteile sollen für sich

angeschlossen oder gestoßen werden.– Die Beanspruchung der Verbindung eines

Querschnittsteils soll aus den Schnittgrößen-anteilen dieses Querschnittsteils bestimmtwerden.

Die Vorgehensweise bei der Bemessung geschraubter Verbindungen wird mit dem inAbb. 1.1 dargestellten Trägerstoß erläutert. DerTräger besteht aus einem Walzprofil HEA500,d.h., er hat einen doppeltsymmetrischen Quer-schnitt. Die rechts in der Abbildung angegebe-nen Schnittgrößen wirken unmittelbar an derStoßstelle.

Zunächst sollte man – entsprechend deno.g. Grundsätzen – die Teilschnittgrößen in denEinzelteilen des Querschnitts infolge N, M undV ermitteln und dann festlegen, wie diese Teil-schnittgrößen durch die Schrauben übertragenwerden sollen.

Beim klassischen Laschenstoß, siehe Abb.1.1b, werden die Schrauben nur durch Scher-kräfte beansprucht, was unmittelbar anhandder Teilschnittgrößen erkennbar ist. Dies sindin den Gurten die Normalkräfte infolge N undM, die von den Gurten durch die Schrauben indie Laschen und auf der anderen Seite des Sto-ßes wieder in die Gurte übertragen werden. Im Steg ergeben sich die Teilschnittgrößen Nw,Mw und Vw = V, die die Schrauben ebenfallsdurch Scherkräfte beanspruchen. Bei der Er-mittlung der Kräfte in den Schrauben ist zu be-achten, dass infolge V ein Versatzmoment auf-tritt. Als prinzipielle Vorgehensweise könnendie folgenden Grundsätze für die Nachweisfüh-rung herangezogen werden:1. Teilschnittgrößen in den Einzelteilen des Quer-

schnitts ermitteln.2. Scherkräfte in den einzelnen Schrauben er-

mitteln (in der Regel die Maximalwerte).3. Nachweise führen: Abscheren der Schrauben,

Lochleibung der Bleche, Beanspruchung desNettoquerschnitts (Lochabzug).

Bei dem in Abb. 1.1c dargestellten Stirn-plattenstoß wird der Obergurt infolge N und Mdurch eine Drucknormalkraft beansprucht. Siekann unmittelbar durch die Stirnplatten undDruckkontaktkräfte übertragen werden. ImUntergurt ergibt sich infolge N und M eine Zug -normalkraft, so dass die Schrauben im Bereichdes Untergurtes durch Zugkräfte beanspruchtwerden. Die Tragfähigkeit des Stirnplattensto-ßes wird in der Regel unter Verwendung des„T-Stummel-Modells“ ermittelt (siehe Abschnitt5.12). Aufgrund der Zugbeanspruchung in denSchrauben wird der Stirnplattenstoß gemäßDIN EN 1993-1-8 den Kategorien D oder E zu -geordnet (siehe Abschnitt 1.4). Die Querkraft Vwird in der Regel den Schrauben im Bereichdes Obergurtes zugewiesen. Sie hat häufig eineuntergeordnete Bedeutung.

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Abb. 1.1: Einführungsbeispiel Trägerstoß


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1.4 Kategorien nach DIN EN 1993-1-8

Geschraubte Verbindungen werden gemäßDIN EN 1993-1-8 in die Kategorien A bis E ein-geteilt. Die Kategorien beziehen sich auf die Bean-spruchung der Schrauben (Abscheren oder Zug)und Varianten in der Ausführung (gleitfest, vor-gespannt, handfest angezogen). Weitere Einzel-heiten können Tabelle 1.1 entnommen werden.

Geschraubte Verbindungen mit scherbe -anspruchten Schrauben werden in der Regelfür die Bemessung in folgende Kategorienunterteilt:

a) Kategorie A: Scher-/LochleibungsverbindungenZu dieser Kategorie gehören Schrauben der

Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9. Vorspannungund besondere Oberflächenbehandlungen sindin der Regel nicht erforderlich. Der Bemessungs-wert der einwirkenden Scherkraft darf wederden Bemessungswert der Schertragfähigkeitnoch den Bemessungswert des Lochleibungs-widerstandes überschreiten, siehe Abschnitt 5.4.

b) Kategorie B: Gleitfeste Verbindungen im Grenz-zustand der GebrauchstauglichkeitZu dieser Kategorie gehören hochfeste

Schrauben, die kontrolliert vorgespannt werden.Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit darfin der Regel kein Gleiten auftreten. Der Be-messungswert der einwirkenden Scherkraft imGrenzzustand der Gebrauchstauglichkeit darf inder Regel den Bemessungswert des Gleitwider-standes nicht überschreiten. Der Bemessungs-wert der einwirkenden Abscherkraft im Grenz-zustand der Tragfähigkeit darf in der Regel denBemessungswert der Schertragfähigkeit und desLochleibungswiderstandes nicht überschreiten.

c) Kategorie C: Gleitfeste Verbindungen im Grenz-zustand der TragfähigkeitZu dieser Kategorie gehören hochfeste

Schrauben, die kontrolliert vorgespannt werden.Im Grenzzustand der Tragfähigkeit darf keinGleiten auftreten. Der Bemessungswert der ein-wirkenden Scherkraft im Grenzzustand der Trag-fähigkeit darf den Bemessungswert des Gleit -

Kategorie Nachweiskriterium Anmerkungen

Scherverbindungen (scherbeanspruchte Schrauben)

A Fv,Ed ≤ Fv,RdKeine Vorspannung erforderlich.

Scher-/Lochleibungsverbindungen Fv,Ed ≤ Fb,RdSchrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9

dürfen verwendet werden.

B Fv,Ed,ser ≤ Fs,Rd,ser In der Regel sind hochfeste Schrauben Gleitfeste Verbindungen im Grenz- Fv,Ed ≤ Fv,Rd der Festigkeitsklasse 8.8 oder 10.9 zu verwenden.zustand der Gebrauchstauglichkeit Fv,Ed ≤ Fb,Rd Gleitwiderstand für die Gebrauchstauglichkeit.

C Fv,Ed ≤ Fs,Rd In der Regel sind hochfeste Schrauben der Gleitfeste Verbindungen im Fv,Ed ≤ Fb,Rd Festigkeitsklasse 8.8 oder 10.9 zu verwenden.Grenzzustand der Tragfähigkeit ΣFv,Ed ≤ Nnet,Rd Gleitwiderstand für die Tragfähigkeit.

Zugverbindungen (zugbeanspruchte Schrauben)

D Ft,Ed ≤ Ft,RdKeine Vorspannung erforderlich.

Nicht vorgespannt Ft,Ed ≤ Bp,RdSchrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9 dürfen

verwendet werden. Bp,Rd siehe Abschnitt 5.5.

E Ft,Ed ≤ Ft,RdIn der Regel sind hochfeste Schrauben der

Vorgespannt Ft,Ed ≤ Bp,RdFestigkeitsklasse 8.8 oder 10.9 zu verwenden.

Bp,Rd siehe Abschnitt 5.5.

Fv,Rd Grenzabscherkraft pro SchraubeFb,Rd Grenzlochleibungskraft pro SchraubeFs,Rd,ser Grenzgleitwiderstand pro Schraube im Grenzzustand der GebrauchstauglichkeitFs,Rd Grenzgleitwiderstand pro Schraube im Grenzzustand der TragfähigkeitFt,Rd Grenzzugkraft pro Schraube

Tabelle 1.1: Kategorien vongeschraubten Ver-bindungen nachDIN EN 1993-1-8


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widerstandes und des Lochleibungswiderstandesnicht überschreiten. Zusätzlich darf bei Zugver-bindungen der Bemessungswert des plastischenWiderstands des Nettoquerschnitts im kriti-schen Schnitt durch die Schraubenlöcher Nnet,Rd

(siehe DIN EN 1993-1-1, 6.2) nicht überschrittenwerden.

Für die Baupraxis hat die Kategorie A diemit Abstand größte Bedeutung. Gleitfeste Ver-bindungen nach den Kategorien B und C kom-men nur selten zum Einsatz, weil sie eine Be-handlung der Reibflächen zur Sicherstellungder Reibung erfordern. Bezüglich des Tragver-haltens bieten sie bei ermüdungsbeanspruchtenVerbindungen, d.h. bei häufig veränderlichenBeanspruchungen, Vorteile.

Bei geschraubten Verbindungen mit zug -beanspruchten Schrauben werden in der Regelfür die Bemessung folgende Kategorien unter-schieden:

a) Kategorie D: Nicht vorgespanntZu dieser Kategorie gehören Schrauben der

Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9. Vorspannung istnicht erforderlich. Diese Kategorie darf bei Ver-bindungen, die häufig veränderlichen Zugbean-spruchungen ausgesetzt sind, nicht verwendetwerden. Der Einsatz in Verbindungen, die durchnormale Windlasten beansprucht werden, istdagegen erlaubt.

b) Kategorie E: VorgespanntZu dieser Kategorie gehören hochfeste vor-

gespannte Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8oder 10.9, die kontrolliert vorgespannt werden.In Tabelle 1.1 sind die Nachweiskriterien fürdiese Verbindungskategorien zusammengefasst.

Vereinzelt werden Schrauben in Verbindun-gen durch hohe Scher- und hohe Zugkräfte be -ansprucht, so dass dann auch die Kombinationnachzuweisen ist. Einzelheiten zur Kraftüber -tragung und zum Tragverhalten werden in Kapitel 4 vermittelt, Einzelheiten zur Bemessungnach DIN EN 1993-1-8 in Kapitel 5.

1.5 Bezeichnungen

Schrauben, Muttern und Scheibend Schraubendurchmesserd1 Kerndurchmesser d2 Flankendurchmesser d0 LochdurchmesserDd Lochspiel

A SchaftquerschnittAs Spannungsquerschnittb Gewindelänges Schlüsselweitee Eckenmaßk Kopfhöhem Mutternhöheh ScheibendickeP Steigungℓ Schraubenlänge (ohne Kopf)

Allgemeine BezeichnungenM BiegemomentN NormalkraftV QuerkraftA Querschnittsfläche (brutto)Anet Querschnittsfläche (netto)Fv Abscherkraft pro SchraubeFb Lochleibungskraft pro SchraubeFt Zugkraft pro Schraubet Blechdicke∑ t Klemmlängets Paketdicke der verbundenen Bleche ohne

Scheibenn Bedeutung 1: Anzahl der Schrauben in einer

VerbindungBedeutung 2: Abstand der Schraubenreihezum Angriffspunkt der Abstützkräfte(T-Stummel-Modell)

m Bedeutung 1: Anzahl der Scherfugen (Schnittigkeit)Bedeutung 2: Abstand der Schraubenreihezum gezogenen Blech (T-Stummel-Modell)

e Abstand von der Schraubenreihe bis zumRand (T-Stummel-Modell)

p Abstand der Schrauben untereinandergM0 Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruch-

barkeit von QuerschnittengM1 Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruch-

barkeit von Bauteilen bei StabilitätsversagengM2 Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruch-

barkeit von Querschnitten bei Bruchver -sagen infolge Zugbeanspruchung

gF Teilsicherheitsbeiwert für Einwirkungenm Reibungszahlσ Normalspannungt Schubspannungfu Zugfestigkeitfy Streckgrenze

Indizesf Flansch (engl.: flange)w Steg (engl.: web)Ed Bemessungswert der EinwirkungRd Bemessungswert der Beanspruchbarkeit

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2 Schrauben, Muttern und Scheiben

2.1 Normen

Die DIN EN 1993-1-8 umfasst die folgendenBezugsnormen hinsichtlich der Schrauben, Mut-tern und Unterlegscheiben:• DIN EN 14399: Hochfeste planmäßig vor-

spannbare Schraubenverbindungen für denMetallbau– Teil 1: Allgemeine Anforderungen

(2006-06)– Teil 2: Prüfung der Eignung zum

Vorspannen (2006-06)– Teil 3: System HR – Garnituren aus Sechs-

kantschrauben und -muttern (2006-06)– Teil 4: System HV – Garnituren aus Sechs-

kantschrauben und -muttern (2006-06)– Teil 5: Flache Scheiben (2006-06)– Teil 6: Flache Scheiben mit Fase (2006-06)

• DIN EN 20898-2: Mechanische Eigenschaftenvon Verbindungselementen – Teil 2: Mutternmit festgelegten Prüfkräften; Regelgewinde(1994-02)

• DIN EN ISO 898-1: Mechanische Eigenschaf-ten von Verbindungselementen aus Kohlen-stoffstahl und legiertem Stahl – Teil 1: Schrau-ben mit festgelegten Festigkeitsklassen – Regel-gewinde und Feingewinde (2009-08)

• DIN EN ISO 4014: Sechskantschrauben mitSchaft – Produktklassen A und B (2011-06)

• DIN EN ISO 4016: Sechskantschrauben mitSchaft – Produktklasse C (2011-06)

• DIN EN ISO 4017: Sechskantschrauben mitGewinde bis Kopf – Produktklassen A und B(2011-07)

• DIN EN ISO 4018: Sechskantschrauben mitGewinde bis Kopf – Produktklasse C (2011-07)

• DIN EN ISO 4032: Sechskantmuttern, Typ 1 –Produktklassen A und B (2012-05)

• DIN EN ISO 4033: Sechskantmuttern, Typ 2 –Produktklassen A und B (2012-05)

• DIN EN ISO 4034: Sechskantmuttern – Pro-duktklasse C (2012-06)

• DIN EN ISO 7089: Flache Scheiben – NormaleReihe, Produktklasse A (2000-11)

• DIN EN ISO 7090: Flache Scheiben mit Fase –Normale Reihe, Produktklasse A (2000-11)

• DIN EN ISO 7091: Flache Scheiben – NormaleReihe, Produktklasse C (2000-11)

In Klammern ist jeweils das Ausgabedatumder zurzeit aktuellen Norm angegeben (z.B.2011-10).

Darüber hinaus ist für die Ausführung vonStahlbauten und somit auch für geschraubte Ver-bindungen von Bedeutung:• DIN EN 1090-2: Ausführung von Stahltrag-

werken und Aluminiumtragwerken – Teil 2:Technische Regeln für die Ausführung vonStahltragwerken (2011-10)

In der Ausführungsnorm DIN EN 1090-2wird ergänzend auf die folgenden Normen ver-wiesen, die geschraubte Verbindungen betreffen:• DIN EN 14399: Hochfeste planmäßig vor-

spannbare Schraubenverbindungen für denMetallbau– Teil 7: System HR – Garnituren aus Senk-

schrauben und Muttern (2008-03)– Teil 8: System HV – Garnituren aus Sechs-

kant-Passschrauben und Muttern (2008-03)– Teil 9: System HR oder HV – Direkte Kraft -

anzeiger für Garnituren aus Schrauben undMuttern (2009-07)

– Teil 10: System HRC – Garnituren ausSchrauben und Muttern mit kalibrierterVorspannung (2009-07)

• DIN EN 15048: Garnituren für nicht planmäßigvorgespannte Schraubenverbindungen für denMetallbau– Teil 1: Allgemeine Anforderungen (2007-07)– Teil 2: Eignungsprüfung (2007-07)

Die aufgeführten, übergeordneten Regel-werke DIN EN 14399-1 und DIN EN 15048-1sind in der Bauregelliste B enthalten, so dassauch nationale Produkte nach DIN-Normen,die den Konformitätsnachweis dieser Normenerfüllen, in Deutschland gehandelt werden dür-fen und die CE-Kennzeichnung tragen.

2.2 Schraubenformen und -arten

2.2.1 Beschreibung einer geschraubten Verbindung

Eine Schraube besteht aus dem Kopf unddem Schaft, siehe Abb. 2.1. Der Schaft hat be-reichsweise oder über die gesamte Länge einGewinde. Bei den im Stahlbau üblichen Schrau-ben werden in der Regel Schrauben mit glattemSchaft und Gewinde verwendet (siehe Abb. 2.1,oben).


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Die Mutter wird auf das Gewinde der Schrau-be aufgeschraubt. Es gibt aber auch die Möglich-keit, ein Gewinde in ein Bauteil einzuschneiden,wobei das Bauteil dann die Funktion der Mutterübernimmt.

Zwischen den zu verbindenden Blechteilenund dem Schraubenkopf bzw. der Mutter wer-den Unterlegscheiben (nachfolgend als Scheibenbezeichnet) angeordnet. In der Regel befindensich diese unter dem Teil, das beim Anziehengedreht wird. Bei hochfesten planmäßig vorge-spannten Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9sind sowohl unter dem Schraubenkopf als auchunter der Mutter Scheiben anzuordnen. Sie die-nen zu einer gleichmäßigeren Krafteinleitungund schützen durch Fasen den Übergang desSchraubenkopfes in den Schaft vor einer Kerb-wirkung.

Insgesamt werden die Schrauben zusam-men mit den Muttern und den zugehörigen Schei-ben als Schraubengarnitur bezeichnet, sieheAbb. 2.2.

Während nach den alten, deutschen Rege-lungen die Klemmlänge als Summe der alsKlemmpaket verbundenen Bleche definiert war(jetzt Klemmpaketdicke ts), wird nach den euro-päischen Regelungen die Klemmlänge alsLänge zwischen Schraubenkopf und Mutterdefiniert, siehe Abb. 2.2. Die Klemmlänge istdaher gleich der Dicke des Klemmpakets ein-schließlich der Dicke der Scheiben.

Gemäß DIN EN 1993-1-1 wird zwischenplanmäßig vorgespannten und planmäßignicht vorgespannten Schraubenverbindun-gen unterschieden. Vorgespannte Verbindun-gen bestehen in der Regel aus planmäßig vor-spannbaren Schraubengarnituren. Vorge-

spannte, auf Zug beanspruchte Schrauben ge-mäß Abschnitt 3.3.2 haben gegenüber nicht vor-gespannten Verbindungen, siehe Abschnitt 3.3.1,Vorteile im Hinblick auf den Korrosionsschutzund die Ermüdung. Auf den Begriff planmäßigwird im Folgenden bei vorgespannten Verbin-dungen verzichtet.

Gemäß den übergeordneten Schrauben -normen DIN EN 14399-1 und DIN EN 15048-1soll die gesamte Schraubengarnitur von einemHersteller geliefert werden. Er ist für die Funk-tionsfähigkeit der Garnitur verantwortlich. DasGleiche gilt für den Oberflächenüberzug derGarnituren, siehe Abschnitt 3.2. Der Grund hier-für liegt darin, dass die Schrauben sehr empfind-lich auf Unterschiede in der Herstellung undSchmierung reagieren.

2.2.2 Gewinde

Die im Stahlbau verwendeten Schraubenund Muttern haben ein metrisches Gewindenach DIN ISO 724. Die Gewindetoleranzen sindin DIN ISO 965-1 geregelt. Die Schrauben undMuttern werden mit dem Buchstaben M bezeich-net. M16 bedeutet: Schraube oder Mutter mitmetrischem Gewinde und Nenndurchmesser d = 16 mm. In Abb. 2.3 ist ein typisches Regel-gewinde mit den wichtigsten Abmessungendargestellt. Folgende Bezeichnungen sind nachDIN ISO 724 am Außengewinde zu unterschei-den:d: Außendurchmesser (Nenndurchmesser)d2: Flankendurchmesserd1: Kerndurchmesser

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Abb. 2.1: Schrauben

Abb. 2.2: Schraubengarnitur mit Klemmpaket-Bezeichnungen


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Der Flankenwinkel ist für alle Durchmesserkonstant. Die Maße P und H sind von d abhän-gig. Das ISO-Regelgewinde hat beispielsweisefür d = 12 mm (Schraube M12) die Steigung P = 1,75 mm und bei M30 ist P = 3,5 mm. Außerdem Regelgewinde gibt es noch Feingewinde,die hier nicht behandelt werden, da sie im Stahl-bau keine Rolle spielen.

2.2.3 Schraubenköpfe und -schäfte

Im Allgemeinen werden Schrauben mitSechskantköpfen und Sechskantmutternverwendet. Das wichtigste Maß ist der Durch-messer der Schraube, da die Tragfähigkeitenvon der Querschnittsfläche und somit vomDurchmesser abhängen. Die übrigen Maße wiez.B. die Schlüsselweite s und die Gewindelänge bsind vom Durchmesser des Schraubenschaftes dabhängig.

Schraubengarnituren, die für nicht vorge-spannte Schraubenverbindungen (KategorienA und D gemäß Tabelle 1.1) geeignet sind, wer-den in der übergeordneten DIN EN 15048-1geregelt. Darüber hinaus werden die Schraubenin Produktklassen eingeordnet.

Für nicht vorgespannte Schraubengarniturenkönnen sämtliche Produktnormen herangezogenwerden, wenn sie den Konformitätsnachweisnach DIN EN 15048-1 erfüllen. Dafür muss dieÜbereinstimmung der Komponenten und Gar-nituren mit den dort angegebenen Anforderun-gen nachgewiesen werden. Diese umfassen eineErstprüfung und die werkseigene Produktions-kontrolle durch den Hersteller, einschließlichder Beurteilung des Produktes.

Nähere Informationen hierzu sind in DIN EN15048-1 und bezüglich des Eignungsnachweisesin DIN EN 15048-2 enthalten. Aus diesem Grundkönnen Schraubengarnituren nach den europä -ischen Normen, siehe Abschnitt 2.1, und auchnach den deutschen Produktnormen verwendetwerden. Schrauben nach den deutschen Pro-duktnormen haben kürzere Gewinde. Damitkann leichter erreicht werden, dass der glatteTeil des Schaftes in der Scherfuge liegt, so dasseine höhere Schertragfähigkeit ausgenutzt wer-den kann (siehe Abschnitt 5.4). Nachteilig ist,dass eine genaue Planung der Schraubenlängenerforderlich ist. Die Produktklasse hängt imWesentlichen von der Festigkeitsklasse und demSchraubendurchmesser ab. Diese Angaben fürStahlbauschrauben können Tabelle 2.1 entnom -men werden. Bemerkenswert ist, dass neben denSchrauben mit glattem Schaft auch die Schrau-ben mit Gewinde bis zum Kopf verwendet wer-den können. Die Angaben hierzu finden sichebenfalls in Tabelle 2.1.

Hochfeste Schraubengarnituren, die denAnforderungen in DIN EN 14399-1 genügen,dürfen als vorgespannte Schraubenverbin-dungen (Kategorien B, C und E), aber auch alsnicht vorgespannte Schraubenverbindungen(Kategorien A und D) verwendet werden. Fürden Nachweis der CE-Konformität ist neben derErstprüfung und der werkseigenen Kontrolleauch der Nachweis der Funktionseigenschaftengemäß DIN EN 14399-2 vorgeschrieben. NachDIN EN 14399 werden vorspannbare Schraubenin HV-Schrauben (mit kurzem Gewinde) und HR-Schrauben (mit mittellangem Gewinde) unter-schieden. Vorspannbare Schraubengarnituren

Abb. 2.3: Metrisches Regelgewinde nach DIN ISO 724

Tabelle 2.1: Schrauben für nicht vorspannbare Schraubenverbindungen

Produktnorm Gewindelänge Produkt- Festig-b klasse keits-

klasse

DIN 7990 Kurz 4.6, 5.6C

DIN 79681) ≈ (1,4 bis 1,6) · d 5.6

DIN EN ISO 4014 Mittellang≤ M24: A 5.6, 8.8, > M24: B 10.9

≈ (2,2 bis 2,5) · dDIN EN ISO 4016 C 4.6

DIN EN ISO 4017 Lang≤ M24: A 5.6, 8.8,

≈ ℓ> M24: B 10.9

DIN EN ISO 4018 C 4.6

1) Passschraube mit ds = d + 1 mm.


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haben eine größere Schlüsselweite als nicht vor-spannbare Schraubengarnituren. Schrauben mitgeringerer Festigkeitsklasse (4.6 und 5.6) dürfengrundsätzlich nur handfest angezogen, aberplanmäßig nicht vorgespannt werden. NähereAngaben enthalten die Tabellen 2.2 und 2.6.

Die HR-Schraube unterscheidet sich vonder HV-Schraube durch ihr längeres Gewinde.Außerdem weisen die Muttern vom Typ HR einegrößere Höhe auf. Ansonsten sind die Abmes-sungen nahezu identisch. Begründet werdendie Unterschiede damit, dass sich bei einer HV-Garnitur das Verformungsvermögen durchAbstreifen der Mutter einstellen soll. Demgegen-über soll bei einer HR-Garnitur die Schraube ihrDehnungsvermögen durch plastische Verlänge-rung der Schraube erreichen.

Passschrauben nach DIN 7968 (nicht vor -gespannt) und DIN EN 14399-8 (vorspannbar)werden nach DIN EN 1993-1-8 im Wesentlichenwie normale Schrauben bemessen und daherhier nicht gesondert behandelt.

Neben den Sechskantschrauben gibt es imStahlbau unter anderem die Senkschrauben nachDIN 7969 bzw. DIN EN 14399-7 (siehe Abb. 2.4)und HRC-Schrauben nach DIN EN 14399-10.Aufgrund ihrer eher untergeordneten Bedeutungwerden sie hier nur der Vollständigkeit halbererwähnt.

2.2.4 Muttern und Scheiben

Genauso wie die Schrauben sind auch dieMuttern sowie die Scheiben in Produktnormengeregelt. Auch hierbei ist die Unterscheidungzwischen Muttern und Scheiben für vorspann-bare und nicht vorgespannte Schraubengarni-turen zu beachten. In Tabelle 2.3 sind Produkt-normen für Muttern und in Tabelle 2.4 für Schei-ben zusammengestellt. Wie bei den Schraubensind die Schlüsselweiten der Muttern bei nichtvorgespannten Verbindungen ca. 1,5 bis 1,6 · d.Bei vorspannbaren Schraubengarnituren sind dieMuttern wie die Schraubenköpfe eine Schlüssel-weite größer als bei nicht vorspannbaren Garni-turen (siehe Tabelle 2.6).

Bei den Scheiben wird zwischen Scheibenmit und ohne Fasen unterschieden. Während es für die Scheiben unter den Muttern und beinicht vorspannbaren Schraubengarnituren auchunter dem Kopf keine Rolle spielt, ob Scheibenmit oder ohne Fase verwendet werden, dürfenunter den Schraubenköpfen bei vorspannbarenSchrauben nur die mit Fase verwendet werden.Die Fasen sind innen und außen vorhanden undsind beim Einbau dem Schraubenkopf bzw. derMutter zugewandt. Dadurch wird der Übergangvom Schraubenkopf zum Schaft vor einer Kerbegeschützt. Die außenliegende Fase ermöglichtdie Kontrolle des richtigen Einbaus von außen.Auf der anderen Seite liegt die Scheibe vollflächigauf und gewährleistet eine konstante Kraftüber-tragung.

2.3 Schraubenbezeichnung und -kennzeichnung

Alle Schrauben und Muttern für geschraubteVerbindungen müssen ein Herstellerkennzeichenund die Kennzeichnung der Festigkeitsklassebzw. des Schraubentyps enthalten, so dass dieGefahr einer Verwechselung minimiert wird undeine spätere Kontrolle der Verbindungsmittelmöglich ist. In Abb. 2.5 sind beispielhaft dieHerstellerangaben auf Scheiben für vorspann -bare Schraubengarnituren, auf Schraubenköpfenund Muttern dargestellt.

Die Kennzeichnung der Festigkeitsklassefür Schrauben erfolgt durch zwei Zahlen, z.B.4.6. Die beiden Zahlen werden durch einenPunkt getrennt; der Punkt wird mitgelesen: „vierPunkt sechs“.

Für den Stahlhochbau kommen in Deutsch-land gemäß nationalem Anhang zur DIN EN1993-1-8 nur Schrauben der Festigkeitsklassen4.6, 5.6, 8.8 und 10.9 in Frage. Für die Muttern

Merkblatt 322

Produktnorm Bez. Gewindelänge Produkt- Festig-b klasse keits-

klasse

DIN EN 14399-3 HR Mittellang B 8.8, 10.9≈ (2,2 – 3,3) · d

DIN EN 14399-4 HV Kurz B 10.9≈ (1,4 – 1,9) · d

DIN EN 14399-81) HV Kurz B 10.9≈ (1,4 – 1,9) · d

1) Passschraube mit ds = d + 1 mm.

Tabelle 2.2: Schrauben für vorspannbare Schraubenverbindungen

Abb. 2.4: Verbindung mit einer Senk-schraube


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und Scheiben gelten die entsprechenden Festig-keits- und Härteklassen (siehe Tabelle 2.5). DieBedeutung der Festigkeitsklassen für die Trag -fähigkeit und die zugehörigen Werte werden inden Kapiteln 4 und 5 behandelt. Darüber hin-aus muss bei Schrauben, Muttern und Scheibendurch eine CE-Kennzeichnung auf dem Etikettder Verpackung bestätigt werden, dass sie denAnforderungen der Produktnorm entsprechen.Durch eine werkseigene Produktionskontrolledes Herstellers sind die geforderten Grenzbedin-gungen im Zugversuch an einer komplettenGarnitur nach DIN EN 15048-2 oder im Anzieh-versuch nach DIN EN 14399-2 nachzuweisen.

Zusätzlich zur Festigkeitsklasse ist die Ver-wendungsart der Schraubengarnitur durch einKurzzeichen anzugeben. Schrauben für nichtvorspannbare Verbindungen werden mit „SB“(Structural Bolting) gekennzeichnet. Bei vor-spannbaren Verbindungen tragen Schrau-ben, Muttern und Scheiben die Bezeichnung„H“. Dazu kommt die Angabe des Systems, sodass die vollständige Bezeichnung „HV“ oder„HR“ zu finden ist. Die Kennzeichnung beiScheiben befindet sich auf der der Fase gegen-überliegenden Seite, damit keine Beeinträchti-gung des Vorspannvorgangs entsteht. Scheibenin nicht vorspannbaren Verbindungen brauchennicht gekennzeichnet zu werden.

Die folgende Angabe zeigt beispielhaft dievollständige Bezeichnung einer Schraubengar-nitur, bestehend aus Schraube und Mutter:

Garnitur Schraube/Mutter DIN EN 14399-4 – M16 x 80 – 10.9/10 – HV – tZn

Es handelt sich um eine vorspannbareSchraubengarnitur mit d = 16 mm in der Festig-keitsklasse 10.9 vom Typ HV. Die zusätzlicheBezeichnung tZn weist auf eine Feuerverzinkungder Garnitur hin, siehe Abschnitt 3.2.

Produkt- Muttern- Produkt- Festig-norm höhe klasse keits-

klasse

DIN EN ISO ≤ M16: A (6), 8, 4032 Mittel > M16: B 10

DIN EN ISO m ≈ 0,9 · dC 4, 5

4034

DIN EN ISO Groß ≤ M16: A(9), 12

4033 m ≈ d > M16: B

DIN EN Mittel

14399-3 m ≈ 0,9 · d

B 8, 10(„HR“)

DIN EN Kurz

14399-4 m ≈ 0,8 · d

B 10(„HV“)

Nich

tvor

span

nbar

Vors

pann

bar

Tabelle 2.3: Muttern für nicht vorspannbare und vorspannbare geschraubte Verbindungen

Produkt- Geo- Pro- Min. Fasennorm metrie dukt- Härte

klasse

DIN 7989-1 C100 HV OhneTyp 1

DIN 7989-2 A

DIN EN ISO 200 Ohne7089 oderADIN EN ISO

Typ 2300

Außen7090 HV

DIN EN ISOC 100 HV Ohne

7091

DIN EN Ohne

14399-5 Typ 3 A 300 HV

DIN EN Innen und14399-6 außen

Nich

tvor

span

nbar

Vors

pann

bar

Tabelle 2.4: Scheiben für nicht vorspannbare und vorspannbare Verbindungen

( ) – keine VorzugsvarianteTyp 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

Abb. 2.5: Kennzeichnung von Schrauben


12

2.4 Zusammenstellung der Schraubengarnituren

Entsprechend den Regelungen in den Pro-duktnormen wurden in Abschnitt 2.2 Schrauben,Muttern und Scheiben vorgestellt. Dabei fälltauf, dass es unterschiedliche Bezeichnungenbei den Festigkeitsklassen gibt. Für Scheibenwird statt einer Festigkeitsklasse (FK) eine Härte-klasse (HK) angegeben. Die Festigkeiten undHärten beziehen sich auf DIN ISO 898-1 fürSchrauben, auf DIN ISO 898-2 für Muttern so-wie auf die Produktnormen der Scheiben. InTabelle 2.5 sind die Festigkeitsklassen sozusammen gestellt, dass die Schraubengarnitu-ren den Forderungen nach DIN EN 1993-1-8entsprechen, siehe auch DIN EN 15048-1 undDIN EN 14399.

Bei der Konstruktion von vorwiegend nichtruhenden Konstruktionen sind in der Regelvorgespannte Schraubenverbindungen oderbei reiner Scherbeanspruchung auch Passschrau-ben zu verwenden. Die wesentlichen Vorteileder Vorspannung liegen in der Sicherung gegen Lockern und in der Reduzierung des Spannungs-spiels in der geschraubten Verbindung, so dasssie bezüglich der Ermüdung Vorteile aufweisen.

2.5 Abmessungen und Maße

In diesem Abschnitt sind Abmessungen vonSchrauben, Muttern und Scheiben sowie dieKlemmlängen für die in der Regel verwendetenStahlbauschrauben zusammengestellt.

Schrauben, die größer als M36 sind, werdenin der DASt-Richtlinie 021 „Schraubenverbin-dungen aus feuerverzinkten Garnituren M39 bisM64 entsprechend DIN 6914, DIN 6915, DIN6916“ geregelt. Die Richtlinie ist in der Bau -regelliste A enthalten und ist bauaufsichtlicheingeführt. Der Übereinstimmungsnachweiswird anhand des Ü-Zeichens bestätigt. Da siesich auf die deutschen Produktnormen bezieht,ist zu überprüfen, ob sie auch in Verbindungmit den europäischen Bemessungsnormen an-gewendet werden darf.

Bei Passschrauben ist zu beachten, dass derNenndurchmesser gleich dem Gewindedurch-messer ist. Der Schaftdurchmesser ist einen Milli-meter größer als der Nenndurchmesser (sieheTabelle 2.6).

Da in Deutschland zu einem sehr großenAnteil die hochfesten vorspannbaren Schrau-ben vom Typ HV verwendet werden, sind inTabelle 2.7 die Klemmlängen für vorspannbareSchraubengarnituren nach DIN EN 14399-4 bzw.14399-8 zusammengestellt.

Für ein einwandfreies Funktionieren dervorspannbaren geschraubten Verbindungen müs-sen die Klemmlängen ∑ t folgende Bedingungerfüllen:

(lg max + 2 · P) < ∑ t < (lmin – P – mmax)

Darin ist P die Steigungshöhe und mmax

die maximale Mutternhöhe nach Tabelle 2.6.Die in Tabelle 2.7 aufgeführten Klemmlängen ∑ tmin und ∑ tmax liegen in diesem Bereich.

Die Werte für ∑ tmax werden unter der Be-dingung festgelegt, dass im nicht vorgespanntenZustand das Schraubengewinde mindestens eineSteigungshöhe hinausragt.

In Tabelle 2.8 sind darüber hinaus die mög-lichen Paketdicken ts unter Berücksichtigungvon Scheiben unter Schraubenkopf und Mutterzusammengestellt.

Merkblatt 322

Tabelle 2.5: Schraubengarnituren nach DIN EN 15048 undDIN EN 14399 in Abhängigkeit von der Kategorie

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]

A, D 4.6 > M16: 43)

≤ M16 : 53)100

A, D 5.6 53)

100A, D 200

8.8 8 300

A–E2) 3004)

A–E2) 10.9 10 3004)

1) Grundsätzlich ist vorwiegend ruhende Zugbeanspruchung zulässig. 2) Zusätzlich auch für nicht vorwiegend ruhende Zugbeanspruchung zulässig.3) Auch Muttern der Festigkeitsklasse 8 sind zulässig. 4) Zusätzlich gekennzeichnet mit dem Herstellerkennzeichen an der Fase

gegenüberliegenden Seite.


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

Bezeichnungen M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36

Gewinde(nenn)durchmesser in mm d 12 16 20 24 27 30 36Schaftdurchmesser der Schrauben in mm d 12 16 20 24 27 30 36Lochdurchmesser bei normalen runden Löchern d0 13 18 22 26 30 33 39Schaftdurchmesser von Passschrauben in mm d 13 17 21 25 28 31 37Schaftquerschnitt der Schrauben in mm2 A 113 201 314 452 573 707 1018Schaftquerschnitt von Passschrauben in mm2 A 133 227 346 491 616 755 1075Spannungsquerschnitt für normale Schrauben und Passschrauben in mm2 As 84,3 157 245 353 459 561 817

Steigungshöhe in mm 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 s 18 24 30 36 41 46 55Maß über Eck in mm e 19,85 26,17 32,95 39,55 45,2 50,85 60,79Kopfhöhe in mm k 7,5 10 12,5 15 17 18,7 22,5Gewindelänge in mm nach DIN 7990 b 17,75 21 23,5 26 29 30,5 –Gewindelänge in mm nach Länge ≤ 125 mm b 30 38 46 54 60 66 –DIN EN ISO 4014 und 125 mm < Länge ≤ 200 b 36 44 52 60 66 72 84DIN EN ISO 4016 Länge > 200 mm b 49 57 65 73 79 85 97

Gewindelänge in mm nach DIN EN ISO 4017und DIN EN ISO 4018 b Gewinde geht bis zum Kopf

Muttern für nicht vorspannbare Garnituren nach DIN EN ISO 4032, DIN EN ISO 4033, DIN EN ISO 4034

Schlüsselweite in mm s 18 24 30 36 41 46 55Mutterhöhe m in mm außer nach DIN EN ISO 4033

min./max. 10,37/10,8 14,1/14,8 16,9/18 20,2/21,5 22,5/23,8 24,3/25,6 29,4/31,0

Mutterhöhe m in mm nach DIN EN ISO 4033 min./max. 11,57/12,0 15,7/16,4 19,0/20,3 22,6/23,9 – 27,3/28,6 33,1/34,7

Scheiben für nicht vorspannbare Garnituren nach DIN EN ISO 7089, DIN EN ISO 7090 und DIN EN ISO 7091 sowie nach DIN 7989

Lochdurchmesser der Scheibe in mm, außer nach DIN EN ISO 7091

d1 13 17 21 25 28 31 37

Lochdurchmesser der Scheibe in mm nach DIN EN ISO 7091

d1 13,5 17,5 22 26 30 33 39

Scheibendurchmesser in mm d2 24 30 37 44 50 56 66Scheibendicke nach DIN EN ISO 7089, DIN EN ISO 7090 und DIN EN ISO 7091 in mm

h 2,5 3 3 4 4 4 5

Scheibendicke nach DIN 7989-1 und DIN 7989-2 in mm h 8

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

Schlüsselweite in mm s 22 27 32 41 46 50 60Maß über Eck in mm e 23,91 29,56 35,03 45,2 50,85 55,37 66,44Kopfhöhe in mm nach DIN EN 14399-4 (Typ HV) k 8 10 13 15 17 19 23Gewindelänge in mm nach DIN EN 14399-4 (Typ HV) b 23 28 33 39 41 44 52Kopfhöhe in mm nach DIN EN 14399-3 (Typ HR) k 7,5 10 12,5 15 17 18,7 22,5

Gewindelänge in mm nachLänge ≤ 125 mm b 30 38 46 54 60 66 78

DIN EN 14399-3 (Typ HR)125 mm < Länge ≤ 200 b – 44 52 60 66 72 84Länge > 200 mm b – – 65 73 79 85 97

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 60Mutterhöhe m in mm nach min./max. DIN EN 14399-4 (Typ HV) = nom.

9,64/10 12,3/13 14,9/16 18,7/20 20,7/22 22,7/24 27,7/29

Mutterhöhe m in mm nachDIN EN 14399-3 (Typ HR)

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

Scheiben für vorspannbare Garnituren nach DIN EN 14399-5 (ohne Fasen) und DIN EN 14399-6 (mit Fasen)

Lochdurchmesser der Scheibe in mm d1 13 17 21 25 28 31 37Scheibendurchmesser in mm d2 24 30 37 44 50 56 66Dicke der Scheibe in mm h 3 4 4 4 5 5 6


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Merkblatt 322

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

Schraube M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36

Länge Klemmlängen Σ tmin und Σ tmax

30 – – – – – – –

35 16–211) – – – – – –

40 21–261) 17–221) – – – – –

45 26–311) 22–271) 18–231) – – – –

50 31–36 27–321) 23–281) – – – –

55 36–41 32–371) 28–331) – – – –

60 41–46 37–421) 33–381) 29–341) – – –

65 46–51 42–47 38–431) 34–391) – – –

70 51–56 47–52 43–481) 39–441) 36–411) – –

75 56–61 52–57 48–53 44–491) 41–461) 39–441) –

80 61–66 57–62 53–58 49–541) 46–511) 44–491) –

85 66–71 62–67 58–63 54–591) 51–561) 49–541) 43–481)

90 71–76 67–72 63–68 59–64 56–611) 54–591) 48–531)

95 76–81 72–77 68–73 64–69 61–66 59–641) 53–581)

100 – 77–82 73–78 69–74 66–71 64–691) 58–631)

105 – 82–87 78–83 74–79 71–76 69–74 63–681)

110 – 87–92 83–88 79–84 76–81 74–79 68–731)

115 – 92–97 88–93 84–89 81–86 79–84 73–781)

120 – 97–102 93–98 89–94 86–91 84–89 78–831)

125 – 102–107 98–103 94–99 91–96 89–94 83–88

130 – 107–1121) 103–108 99–104 96–101 94–99 88–93

135 – – 108–113 104–109 101–106 99–104 93–98

140 – – 113–118 109–114 106–111 104–109 98–103

145 – – 118–123 114–119 111–116 109–114 103–108

150 – – 123–128 119–124 116–121 114–119 108–113

155 – – 128–133 124–129 121–126 119–124 113–118

160 – – – 129–134 126–131 124–129 118–123

165 – – – 134–139 131–136 129–134 123–128

170 – – – 139–144 136–141 134–139 128–133

175 – – – 144–149 141–146 139–144 133–138

180 – – – 149–154 146–151 144–149 138–143

185 – – – 154–159 151–156 149–154 143–148

190 – – – 159–1641) 156–161 154–159 148–153

195 – – – 164–1691) 161–166 159–164 153–158

200 – – – – 166–171 164–169 158–1631) Nur nach DIN EN 14399-4.


15


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

Schraube M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36

Länge Minimale und maximale Paketdicken ts

30 – – – – – – –

35 10–151) – – – – – –

40 15–201) 9–141) – – – – –

45 20–251) 14–191) 10–151) – – – –

50 25–30 19–241) 15–201) – – – –

55 30–35 24–291) 20–251) – – – –

60 35–40 29–341) 25–301) 21–261) – – –

65 40–45 34–39 30–351) 26–311) – – –

70 45–50 39–44 35–401) 31–361) 26–311) – –

75 50–55 44–49 40–45 36–411) 31–361) 29–341) –

80 55–60 49–54 45–50 41–461) 36–411) 34–391) –

85 60–65 54–59 50–55 46–511) 41–461) 39–441) 31–361)

90 65–70 59–64 55–60 51–56 46–511) 44–491) 36–411)

95 70–75 64–69 60–65 56–61 51–56 49–541) 41–461)

100 – 69–74 65–70 61–66 56–61 54–591) 46–511)

105 – 74–79 70–75 66–71 61–66 59–64 51–561)

110 – 79–84 75–80 71–76 66–71 64–69 56–611)

115 – 84–89 80–85 76–81 71–76 69–74 61–661)

120 – 89–94 85–90 81–86 76–81 74–79 66–711)

125 – 94–99 90–95 86–91 81–86 79–84 71–76

130 – 99–1041) 95–100 91–96 86–91 84–89 76–81

135 – – 100–105 96–101 91–96 89–94 81–86

140 – – 105–110 101–106 96–101 94–99 86–91

145 – – 110–115 106–111 101–106 99–104 91–96

150 – – 115–120 111–116 106–111 104–109 96–101

155 – – 120–125 116–121 111–116 109–114 101–106

160 – – – 121–126 116–121 114–119 106–111

165 – – – 126–131 121–126 119–124 111–116

170 – – – 131–136 126–131 124–129 116–121

175 – – – 136–141 131–136 129–134 121–126

180 – – – 141–146 136–141 134–139 126–131

185 – – – 146–151 141–146 139–144 131–136

190 – – – 151–1561) 146–151 144–149 136–141

195 – – – 156–1611) 151–156 149–154 141–146

200 – – – – 156–161 154–159 146–1511) Nur nach DIN EN 14399-4.


16

3 Herstellen von geschraubten Verbindungen

3.1 Vorbemerkungen

Das Herstellen von geschraubten Verbindun-gen kann in die Herstellung im Werk und dasHerstellen auf der Baustelle unterteilt werden.

Die Arbeitsvorgänge, die im Werk oder in einer Fertigungshalle ausgeführt werden, z.B. dasHerstellen der Löcher und das Aufbringen desKorrosionsschutzes, können als Herstellungim Werk bezeichnet werden.

Die Herstellung auf der Baustelle umfasstu.a. das Ausrichten der Bauteile und das Verbin-den mit den Schrauben. Dazu gehören z.B. dasAufbringen der planmäßigen Vorspannung unddie Kontrolle der geschraubten Verbindungen.

Die normative Grundlage zur Herstellungvon geschraubten Verbindungen ist DIN EN1090-2. In dieser Norm sind die Regelungenenthalten, die für die Herstellung geschraubterVerbindung von Bedeutung sind. Darüber hin-aus enthält der nationale Anhang der DIN EN1993-1-8 ergänzende Regelungen, die bei derHerstellung von geschraubten Verbindungen zubeachten sind.

3.1 Schraubenlöcher

Um eine Schraube durch das vorbereiteteLoch stecken zu können, ist es erforderlich,Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen. Ausdiesem Grund werden die Schraubenlöcheretwas größer gebohrt als der Durchmesser desSchraubenschaftes beträgt. Die Differenz wirdals Lochspiel Dd bezeichnet und ist vom Durch-messer der Schraube abhängig. Darüber hinausbesteht die Möglichkeit, Langlöcher auszubilden,um Verschiebungen der geschraubten Verbin-dung in einer festgelegten Richtung zuzulassen.In Tabelle 3.1 sind die Nennlochspiele von nor-malen runden und übergroßen runden Löchernsowie von kurzen und langen Langlöchern an-gegeben. Für normale runde Schraubenlöcherbei kleinen Schraubendurchmessern (M12) sindnach DIN EN 1090-2 etwas kleinere Löcher zubohren als nach DIN 18800-7.

Werden jedoch die Schraubenlöcher fürSchrauben M12 wie in DIN 18800-7 mit einemLochspiel von 2 mm ausgeführt, so muss derBemessungswert der Abschertragfähigkeit klei-ner sein als der Bemessungswert der Lochlei-bungstragfähigkeit. Zusätzlich ist bei hochfes -ten Schrauben die Abschertragfähigkeit um 15 %zu reduzieren.

Bei geschraubten Verbindungen mit über-großen runden Löchern ist die Lochleibungstrag-fähigkeit um den Faktor 0,8 abzumindern, beiLanglöchern quer zur Längsachse um den Fak-tor 0,6. Nach DIN EN 1993-1-1 ist der Schlupfin Schraubenlöchern bei der Tragwerksberech-nung zu berücksichtigen, falls er maßgebend ist.

Für Passschraubenverbindungen haben dieSchraubenlöcher den gleichen Nenndurchmes-ser wie der Schaft (Dd = 0 mm). Während sichfür die normalen Löcher kaum Änderungen ergeben, sind die Regelungen bei Passschrau-benverbindungen gegenüber der DIN 18800-7(Dd = 0,3 mm) in der Form so verändert worden,dass sie nun der Toleranzklasse H11 entspre-chen müssen. Die Abweichungen dürfen dem-entsprechend bis zu Dd = 0,16 mm je nachDurchmesser betragen. Aufgrund der hohenPassgenauigkeit und des damit verbundenenhohen Montageaufwands werden in der Regelnormale Schrauben den Passschrauben vorge-zogen.

Bezüglich Tabelle 3.1 sind folgende Anmer-kungen zu beachten:• Bei Anwendungsfällen, wie z.B. bei Türmen

oder Masten, muss das Nennlochspiel für nor-male runde Löcher um 0,5 mm abgemindertwerden, sofern nichts anderes festgelegt wird.

• Bei beschichteten Verbindungsmitteln M12mit normalen runden Löchern kann das Nenn-lochspiel von 1 mm um die Überzugdicke desVerbindungsmittels erhöht werden.

• Bei Schrauben in Langlöchern muss das Nenn-lochspiel in Querrichtung gleich dem für nor-male runde Löcher beim entsprechendenDurchmesser sein.

Merkblatt 322

Lochdefinition Schraubengröße

M12 M16 und M24 M27 undM20 größer

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 undBolzen nach DIN EN 1090-2


17


3.2 Korrosionsschutz

Grundsätzlich gilt nach DIN EN 1090-2 derGrundsatz, dass eine vergleichbare Korrosions-beständigkeit der Verbindungsmittel und der an-zuschließenden Bauteile bestehen soll.

Nach der Herstellung der Konstruktionsteileoder nach der Montage der Bauteile erhalten dieSchrauben den gleichen Korrosionsschutz durchÜberzüge (z.B. Anstrich oder Verzinkung) wiedie Stahlkonstruktion. Bei verzinkten Konstruk-tionen sind verzinkte Schrauben zu verwenden.Immer häufiger werden auch bei nicht verzink-ten Konstruktionen verzinkte Schrauben ein -gesetzt.

Bei wetterfesten Stählen werden entspre-chende wetterfeste Schrauben verwendet. Fürmechanische Verbindungselemente aus nicht-rostenden Stählen gelten gemäß der bauaufsicht-lich eingeführten Zulassung Z 30.3-6 die tech-nischen Lieferbedingungen nach DIN ISO 3506Teil 1 und 2.

Stahlbauteile werden zum Schutz gegenKorrosion häufig feuerverzinkt. Die Montagedieser Teile erfolgt mit feuerverzinkten Schrau-ben, deren technische Lieferbedingungen inDIN EN ISO 10684 geregelt sind. Werden feuer-verzinkte oder galvanisch verzinkte Schraubenverwendet, so ist die komplette Schraubengarni-tur entsprechend beschichtet.

Auch hochfeste Schrauben werden vorwie-gend in feuerverzinkter Ausführung verwendet.Die namhaften Schraubenhersteller sind heute inder Lage, auch hochfeste Schrauben so zu verzin-ken, dass Wasserstoffversprödung, Sprödbruch-anfälligkeit und Spannungsrisskorrosion in derFlüssigzinkphase ausgeschlossen werden können.

3.3 Anziehen und Vorspannen von geschraubten Verbindungen

3.3.1 Handfestes Anziehen

Nach DIN EN 1090-2 sind geschraubte Ver-bindungen mindestens „handfest“ anzuziehen.Damit ist gemeint, dass der Schraubenkopf bzw.die Mutter flächig aufliegt und das Klemmpaketkeine klaffenden Fugen aufweist. Die Ausnahmesind Fälle, bei denen im mittleren Bereich derVerbindung ein Anliegen der Kontaktflächenerreicht wird und kein planmäßiger Kontaktstoßfestgelegt ist. Bei diesen Verbindungen dürfenbei Konstruktionsmaterialien mit t ≥ 4 mm beiBlechen und t ≥ 8 mm bei Profilquerschnittenbis zu 4 mm große Spalte zwischen den Kantenverbleiben.

Inwieweit durch das handfeste Anziehen festdefinierte Vorspannkräfte bzw. Anziehmomenteaufzubringen sind, ist in DIN EN 1090-2 nichtgeregelt. Als Anhaltswert wird in [3] empfoh-len, 10 % der Mindestvorspannkraft für hoch-feste Schraubengarnituren zu wählen. Die da-durch aufgebrachte Vorspannkraft ist selbst bei Schrauben der Festigkeitsklasse 4.6 mit ca. 25–30 % der Streckgrenze als akzeptabel zubewerten.

3.3.2 Vorspannung von hochfesten Schraubengarnituren

Für vorgespannte geschraubte Verbindungen(Kategorien B, C und E nach Tabelle 1.1) sindSchrauben der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9nach DIN EN 14399 zu verwenden (siehe Tabelle2.2). Vorspannverfahren und Anforderungen andie Vorspannung geschraubter Verbindungensind in DIN EN 1090-2 und im nationalen Anhangzur DIN EN 1993-1-8 geregelt. Als Vorspannkraftfür gleitfeste Verbindungen (Kategorien B undC) und für Verbindungen der Kategorie E ist inder Regel die Mindestvorspannkraft wie folgtanzusetzen:

Fp,C = 0,7 · fub · As

Für die Vorspannung als Qualitätssicherungs-maßnahme und für nicht voll vorgespannte Ver-bindungen der Kategorie E darf eine Vorspann-kraft von bis zu

Fp,C* = 0,7 · fyb · As

ausgeführt werden. Sie kann mit den in Tabelle3.4 aufgeführten Verfahren aufgebracht werden.Die geringere Vorspannkraft Fp,C* wird nach -folgend als Regelvorspannkraft und Fp,C alsvolle Vorspannkraft bezeichnet. Für die Siche-rung der Garnitur gegen Lockern reicht in derRegel eine reduzierte Vorspannung von 50 %von Fp,C* aus. Die volle Vorspannkraft Fp,C (70 %der Zugfestigkeit) wird z.B. zur Sicherstellungder Reibungskraft für gleitfeste Verbindungender Kategorien B und C benötigt, während dieRegelvorspannkraft Fp,C* (70 % der Streckgrenze)als gebrauchstauglichkeitsorientiert angesehenwerden kann. Für vorgespannte Schrauben mitvoller Vorspannung Fp,C dürfen in der Regelnur Schrauben nach DIN EN 14399-3 (HR) und14399-4 (HV) mit den zugehörigen Muttern undScheiben verwendet werden.

Zum Aufbringen der vollen Vorspannkraftsind nach DIN EN 1090-2 verschiedene Vorspann-verfahren zugelassen. Hierbei sind besondersdas Drehmomentverfahren und das kombinierte


ringere Abhängigkeit vom Schmierungsgrad derSchrauben und der Muttern. Es wird daher in[3] empfohlen, das kombinierte Vorspannver-fahren anzuwenden. Gemäß NA zur DIN EN1993-1-8 sind Verbindungen der KategorienB, C und E mit dem kombinierten Vorspann-verfahren nach DIN EN 1090-2 und der vol-len Vorspannkraft Fp,C vorzuspannen.

Das Aufbringen der RegelvorspannkraftFp,C* kann gemäß Anhang A des NA zur DIN EN1993-1-8 mit den folgenden Vorspannmaßnah-men erfolgen: – Drehimpulsverfahren– modifiziertes Drehmomentverfahren– modifiziertes kombiniertes Verfahren

Einzelheiten zu diesen Verfahren sind inTabelle 3.3 für Garnituren der Festigkeitsklas-sen 8.8 und 10.9 zusammengestellt. Sie geltenfür die k-Klasse K1 nach DIN EN 14399-1. Dasmodifizierte kombinierte Verfahren darf nur fürSchrauben der Festigkeitsklasse 10.9 verwendetwerden.

3.4 Kontrolle von vorgespannten Verbindungen

Zunächst müssen alle Verbindungen mitplanmäßig vorgespannten mechanischen Ver-bindungsmitteln vor Beginn des Vorspannenseiner Sichtprüfung unterzogen werden, nach-dem sie am örtlich ausgerichteten Tragwerkverschraubt wurden.

Ist die Ursache für die Nichtkonformität einDickenunterschied in der gleichen Lage, derdie in DIN EN 1090-2 Abschnitt 8.1 festgelegtenWerte überschreitet, muss die Verbindung durchFutterbleche ergänzt werden. Andere Nichtkon-

18

Vorspannverfahren zu nennen. Um vom auf -gebrachten Drehmoment Mr Rückschlüsse aufdie Vorspannkraft Fp,C machen zu können, istder Einfluss der Schmierung von Schraube undMutter von Bedeutung. Daher sind die Verfah-ren in verschiedene k-Klassen eingeteilt. In Ab-hängigkeit von der k-Klasse ist der Faktor km zubestimmen.

Bei der K1-Klasse, geeignet für das kombi-nierte Vorspannverfahren, liegt der km-Faktorin der Mitte des vom Schraubenhersteller ge-währleisteten Streubands, d.h. zwischen 0,1 <ki < 0,16. Sofern nichts anderes festgelegt ist,kann daher km = 0,13 vereinfachend angesetztwerden.

Bei der K2-Klasse, geeignet für das Dreh -momentverfahren oder das kombinierte Vor-spannverfahren, ist der mittlere km-Faktor indi-viduell und für jede Schraubenlieferung separatzu bestimmen. Er berechnet sich als tatsäch-licher, statistisch ermittelter Wert, der bei derAuslieferung angegeben wird. Er liegt in denGrenzen 0,10 < km < 0,23. Das Referenzdreh-moment Mr kann dementsprechend wie folgt be-stimmt werden:

Mr = km · d · Fp,C

Das planmäßig aufzubringende DrehmomentMA,Soll ist für das Drehmomentverfahren beider K2-Klasse zusätzlich um 10 % gegenüber demReferenzdrehmoment Mr2 zu erhöhen.

Eine planmäßige Vorspannung wird meis-tens mithilfe von Drehmomentschlüsseln auf-gebracht, die bei Erreichen eines einstellbarenDrehmoments deutlich knacken, oder mit elek -tronisch geregelten Elektroschraubern. Impuls-schrauber sind zum planmäßigen Vorspanneneher nicht geeignet. Die planmäßige Vorspan-nung wird in der Regel in zwei Schritten auf -gebracht. Der Ablauf des Vorspannens und weitere Hinweise zu den Vorspannverfahrenkönnen DIN EN 1090-2 entnommen werden.Darüber hinaus werden in [3] die Vorspannver-fahren kritisch beurteilt. Dort wird herausge-stellt, dass mit dem kombinierten Vorspannver-fahren – Voranziehen mit festen Anziehmomen-ten (0,75 · Mr1) und drehwinkelgesteuertemNachziehen – ein kontrollierteres und gleich-mäßigeres Vorspannen der hochfesten Schrau-ben möglich ist. In Tabelle 3.2 sind die Weiter-drehwinkel für den zweiten Anziehvorgang deskombinierten Verfahrens zusammengestellt.

Die Werte in den Klammern beziehen sichauf das Aufbringen der Regelvorspannkraft nachDIN EN 1993-1-8/NA mit dem modifizierten kom-binierten Verfahren (nur für 10.9-Schrauben).Bei diesem Verfahren besteht eine deutlich ge-

Merkblatt 322

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)


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formitäten dürfen, falls möglich, durch Anpas-sung der örtlichen Bauteilausrichtung korrigiertwerden.

Korrigierte Verbindungen sind erneut zuprüfen. Bei den Ausführungsklassen EXC2 bisEXC4 müssen die Vorspannverfahren nach denRegelungen in DIN EN 1090-2 kalibriert undüberprüft werden.

Nach dem Anziehen ist die Kontrolle dervorgespannten Verbindungen stichprobenhaftdurchzuführen. Für Bauwerke der Ausführungs-klasse EXC2 sind 5 % aller Verbindungen undfür Bauwerke der Klassen EXC3 und EXC4 sindmindestens 10 % aller Verbindungen zu über-prüfen. Die Überprüfung erfolgt je nach Vor-spannverfahren nach DIN EN 1090-2. Die Ein-teilung der Stahlkonstruktion in die EXC-Aus-führungsklassen erfolgt ebenfalls nach DIN EN1090-2.

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

Volle Vorspannkraft Regelvorspannkraft Drehimpuls- Modifiziertes ModifiziertesFp,C [kN] Fp,C* [kN] verfahren Drehmoment- kombiniertes

verfahren Verfahren

Einzustellende Aufzubringendes Voranzieh-Vorspannkraft Fv,DI [kN] Anziehmoment MA [Nm] moment

zum Erreichen der zum Erreichen der MA,MKV

Regelvorspannkraft RegelvorspannkraftFp,C* Fp,C* [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 47 59 35 50 40 60 70 100 75

M16 88 110 70 100 80 110 170 250 190

M20 137 172 110 160 120 175 300 450 340

M24 198 247 150 220 165 240 600 800 600

M27 257 321 200 290 220 320 900 1250 940

M30 314 393 245 350 270 390 1200 1650 1240

M36 458 572 355 510 390 560 2100 2800 2100

*) Muttern mit Molybdänsulfid oder gleichwertigem Schmierstoff behandelt.

3.5 Sinnbilder für Schrauben

In DIN 407 waren Sinnbilder für Schraubenund Nieten genormt, die z.T. auch in CAD-Pro-grammen verwendet worden sind. 1983 ist dieinternationale Norm ISO 5261-1981 unverändertin die Deutsche Norm DIN ISO 5845-1 übernom-men worden. Danach werden die Schraubenoder Nieten in der Beschriftung angegeben, z.B.4 M16 x 100 – DIN EN ISO 14399-8 – 10.9 (für4 Passschrauben M16, Länge 100 mm). Zusätz-lich zur Produktnorm ist stets die Festigkeits-klasse anzugeben. Dies kann entweder durcheine globale Angabe oder einzeln für jedeSchraube erfolgen. In den Zeichnungen wirdnach der Darstellung senkrecht zur Achse (Drauf-sicht) und der Darstellung parallel zur Achse(Schnitt oder Seitenansicht) unterschieden (sieheTabelle 3.4).


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4 Kraftübertragung und Tragverhalten

4.1 Vorbemerkungen

In den folgenden Abschnitten werden dieKraftübertragung und mögliche Versagensartenbei geschraubten Verbindungen erläutert. Dabeigeht es zunächst um die Übertragung von Scher-oder Zugkräften durch einzelne Schrauben, ihrTragverhalten und die gängigen Berechnungs-modelle für normengerechte Nachweise. Danachwerden die Berechnung von Schraubenkräftenin scherbeanspruchten Verbindungen und dieErmittlung der Tragfähigkeit in Verbindungenmit zugbeanspruchten Schrauben behandelt.

4.2 Scherverbindungen Kategorie A

Scherverbindungen der Kategorie A sindScher-/Lochleibungsverbindungen, die abgekürztauch SL-Verbindungen genannt werden (sieheauch Tabelle 1.1). Gemäß Abb. 4.1 werden dieäußeren Kräfte durch Kontaktspannungen vonden Blechen auf den Schraubenschaft übertra-gen. Dadurch entstehen im SchraubenschaftSchubspannungen, so dass er durch Scherkräftebeansprucht wird. Bei der SL-Verbindung inAbb. 4.1 wird die Kraft F durch zwei Scherfugenin die außenliegenden Bleche übertragen. Eshandelt sich daher um eine zweischnittige Ver-bindung (m = 2).

In der Praxis werden hauptsächlich ein- undzweischnittige, jedoch teilweise auch mehr-

schnittige Verbindungen ausgeführt. Tabelle 5.3(siehe Abschnitt 5.4) zeigt die maximalen Scher-kräfte Fv,Rd von Schrauben für eine Scherfuge,die bei zweischnittigen Verbindungen verdop-pelt werden müssen. Wegen der Bedeutung fürdie Bemessung ist die Bestimmung der Scher -fugen in Abb. 4.2 anschaulich dargestellt. Ergän-zend zu Abb. 4.1 sind in Abb. 4.2 die auf denSchraubenschaft und auf die Bleche wirkendenLochleibungsspannungen eingezeichnet.

Merkblatt 322

Tabelle 3.4: Sinnbilder für Löcher und Schrauben nach DIN ISO 5845-1

Bedeutung des Zeichenebene Symbols Senkrecht zur Achse Parallel zur Achse

Nicht Senkung auf der Mutterseite Mutterseite Senkunggesenkt Vorderseite Rückseite freigestellt rechts rechts

Schraube in derWerkstatt eingebaut

Schraube auf derBaustelle eingebaut

Schraube auf der Baustelle gebohrtund 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.

Abb. 4.1: Scherbeanspruchung einer Schraube


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Die Tragfähigkeit von SL-Verbindungen wirdbei vorwiegend ruhender Belastung durch dreimögliche Versagensarten begrenzt. Sie sind an-hand eines Beispiels in Abb. 4.3 dargestellt.Wenn man dicke, breite Bleche mit Schraubenverbindet, die im Vergleich zu den Blechenkleine Durchmesser haben, kommt es zum Ab-scheren der Schraubenschäfte. Bei vergleichs-

weise dünnen Blechen kann der Lochleibungs-druck auf die Bleche so groß werden, dass einunzulässiges Aufweiten der Löcher bzw. Aus -reißen der Bleche das maßgebende Versagens-kriterium ist. Die Rand- und Lochabstände müs-sen daher ausreichend groß sein. Die dritte Ver-sagensart ergibt sich, wenn Schrauben mit gro-ßem Durchmesser im Vergleich zur Breite derBleche die Tragfähigkeit der Bleche so starkreduzieren, dass das Blech im Nettoquerschnittversagt.

Aufgrund der drei möglichen Versagensartenin Abb. 4.3 ergeben sich Schubspannungen imSchraubenschaft (a), Lochleibungsdruckspan-nungen zwischen Blech und Schraubenschaft(b) sowie Zugnormalspannungen im Blech mitLochschwächung (c). Die Spannungen habennach der Elastizitätstheorie stark nichtlineareVerläufe in den Schrauben und Blechen. Zur an-schaulichen Erläuterung sind die qualitativenSpannungsverläufe in Abb. 4.4 skizziert.

Da geschraubte Verbindungen duktiles Ver-halten aufweisen, plastizieren bei Steigerungder Belastung Teile der Konstruktion, so dassSpannungsspitzen abgebaut und die Spannungs-verteilungen vergleichmäßigt werden. Bei wei-terer Laststeigerung bis hin zur Grenztragfähig-keit ergeben sich näherungsweise konstanteSpannungsverteilungen (Abb. 4.4c). Für die Be-messung von geschraubten Verbindungen wer-den daher folgende Verteilungen angenommen:a) konstante Schubspannungen ta im Schrau-

benschaftb) konstanter Lochleibungsdruck σ l im Blech

über Blechdicke und Schraubenschaftdurch-messer

c) konstante Normalspannungen σx im Netto-querschnitt des Bleches

Die Annahme konstanter Spannungen isteine Näherung, die die Berechnung erleichternsoll. Sie führt zu einer ausreichend sicheren Be-messung, da die zulässigen Beanspruchbarkeiten,Konstruktionsregeln und Bemessungsvorschrif-ten auf diese Annahme abgestimmt sind. Zubeachten ist jedoch, dass ausreichend duktilesTragverhalten nur bei vorwiegend ruhender Be-lastung vorausgesetzt werden kann. Wenn dieErmüdung eine Rolle spielt, haben Spannungs-spitzen 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 Berechnungder Schraubenkräfte in SL-Verbindungen wirdin Abschnitt 4.5 behandelt, die Bemessung inAbschnitt 5.4.

Abb. 4.2: Ein- und zweischnittige SL-Verbindungen

Abb. 4.3: Mögliche Versagensarten bei einer SL-Verbindung


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4.3 Scherverbindungen der Kategorien B und C

Gleitfeste Verbindungen im Grenzzustandder Gebrauchstauglichkeit bzw. der Tragfähig-keit sind gemäß Tabelle 1.1 Scherverbindungender Kategorien B und C. Ihre Wirkungsweisewird mithilfe von Abb. 4.5 erläutert.

Wenn die Schrauben einer Verbindung vor-gespannt werden, können Kräfte senkrecht zurSchraubenachse durch Reibung übertragen wer-den. Durch das Vorspannen werden die Schrau-ben auf Zug beansprucht und es entstehen zwi-schen Schraubenkopf und -mutter Druckkräfte.Sie pressen die Kontaktflächen der Bleche örtlich

zusammen, so dass die äußeren Kräfte F durchReibung übertragen werden können. Die Größeder übertragbaren Reibkräfte hängt von der Vor-spannung und der Beschaffenheit der Blech-oberflächen ab (gestrahlt, aufgeraut, gleitfesterAnstrich). Gemäß DIN EN 1993-1-8 werden dieGleitflächenklassen A, B, C und D unterschieden,denen Reibungszahlen von m = 0,5, 0,4, 0,3 bzw.0,2 zugeordnet sind. Nach dem Überschreitender Reibkräfte wirkt eine gleitfeste Verbindungwie eine SL-Verbindung, so dass gemäß Tabelle1.1 entsprechende Nachweise zu führen sind.

Im Vergleich zu SL-Verbindungen treten beigleitfesten Verbindungen kleinere Spannungenin den verbundenen Blechen auf, solange dieKraftübertragung durch Reibung wirksam ist.Die Skizzen in Abb. 4.6 zeigen die Spannungs-verläufe qualitativ. Da die ausgeprägten Span-nungsspitzen an den Schraubenlöchern entfal-len, ist die Ermüdungsfestigkeit von gleitfestenVerbindungen wesentlich höher als die von SL-Verbindungen. Sie werden aufgrund diesesVorteils bevorzugt bei dynamisch beanspruch-ten Konstruktionen verwendet.

Merkblatt 322

Abb. 4.4: Spannungsver -teilungen in SL-Verbindungen

Abb. 4.5: Kraftübertragung in gleitfesten Verbindungen

Abb. 4.6: Spannungen in Blechen bei SL-Verbindungenund gleitfesten Scherverbindungen


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4.4 Zugverbindungen der Kategorien D und E

Geschraubte Verbindungen können auchso konstruiert werden, dass Kräfte in Richtungder Schraubenachse auftreten. Gemäß Abb. 4.7werden die Schrauben dann durch Zugkräftebeansprucht, was die kennzeichnende Bean-spruchung der Verbindung ist. Bei dieser Ver-bindungsart können Abstützkräfte auftreten,die Auswirkungen auf die Schraubenzugkräfteund auf die Beanspruchungen der Anschluss-bleche haben. Gemäß Abb. 4.7 kommen folgen-de Versagensarten in Frage:a) Überschreiten der maximalen Schraubenzug-

kräfteb) Überschreiten der maximalen Blechbiege-

momentec) Durchstanzen der Schraubenköpfe oder der

Mutter durch die Anschlussbleche

Abb. 4.7: Verbindung mit zugbeanspruchten Schraubensowie Versagensarten

Zugbeanspruchte Schrauben kommen haupt-sächlich in Verbindung mit Stirnplatten vor.Auf die Ermittlung der Tragfähigkeit dieser Ver-bindungen wird in Abschnitt 4.6 näher einge-gangen. Maximale Schraubenzugkräfte könnenTabelle 5.7 entnommen werden.

4.5 Schraubenkräfte in Scherverbindungen

Geschraubte Verbindungen werden fast aus-schließlich so konstruiert, dass alle Schraubender Verbindung den gleichen Durchmesser undgleiche Abstände untereinander haben (siehe

beispielsweise Abb. 4.3 b). Von Ausnahmen ab-gesehen werden die Schrauben symmetrisch an-geordnet, so dass der Schwerpunkt S des Schrau-benbildes im Schnittpunkt der Symmetrielinienliegt. Gemäß Abb. 4.8 werden die Schnittgrö-ßen NS, VS und MS auf diesen Punkt bezogen.Sofern die zu übertragenden Schnittgrößen desanzuschließenden Querschnittsteils (siehe Ab-schnitt 1.3) nicht in diesem Punkt wirken, sindentsprechende Schnittgrößentransformationendurchzuführen.

Die allgemein übliche Vorgehensweise zurErmittlung der Schraubenkräfte ist in Abb. 4.8an einem Beispiel mit vier Schrauben darge-stellt:1. Zunächst werden die Schnittgrößen NS und

VS gleichmäßig auf die vier Schrauben ver-teilt, so dass man Ni = NS / 4 und Vi = VS / 4erhält.

2. Nun werden die Schraubenkräfte infolgeMS ermittelt, die senkrecht auf den Hebel -armen ri zum Schwerpunkt S stehen. Beidem Beispiel in Abb. 4.8 ergeben sie sichaus Gleichgewichts- und Symmetriegründenzu MS / (4 · ri).

3. Nun wird die maximale Schraubenkraft in-folge NS, VS und MS berechnet. Sie tritt stetsin Schrauben auf, die vom Schwerpunkt amweitesten entfernt liegen. Bei dem Beispielin Abb. 4.8 genügt ein Blick, um festzustel-len, dass die Schraube unten links die größteSchraubenkraft aufnehmen muss.

Abb. 4.8: Ermittlung derSchraubenkräfte bei symmetrischenSchraubenbildern


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Bei symmetrischer und regelmäßiger Anord-nung der Schrauben kann die maximale Schrau-benkraft mithilfe von Abb. 4.9 und Tabelle 4.1wie folgt berechnet werden:

|Ns| |Ms| amax Vx,i = –––––––+–––––––·–––––––––––––––––––

n h l + b · (b/h)2

|Vs| |Ms| a bmax Vz,i = –––––––+–––––––·–––––––––––––––––––·––

n h l + b · (b/h)2 h

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−max Ri = √max V2x,i + max V2z,i (Resultierende)

Erläuterungen:nx: Anzahl der Schrauben in x-Richtungnz: Anzahl der Schrauben in z-Richtungn = nx · nz

b = (nx – 1) · ex

h = (nz – 1) · ez

Bei der Berechnung werden zunächst diehorizontale Komponente max Vx,i infolge NS undMS sowie die vertikale Komponente max Vz,i

infolge VS und MS ermittelt und anschließendwird damit die Resultierende max Ri bestimmt.Diese Resultierende ist die maximale Schrauben-kraft des untersuchten Schraubenbildes. Sie darfunter Beachtung der Scherfugen gemäß Abb. 4.2nicht größer sein als die in Tabelle 5.3 zusam -mengestellten Tragfähigkeiten Fv,Rd. Darüberhinaus ist damit auch der Lochleibungsdruckgemäß Abschnitt 5.4 zu überprüfen.

4.6 Schraubenkräfte in Zugverbindungen

Typische Anwendungsbeispiele für Verbin-dungen mit zugbeanspruchten Schrauben sindTrägerstöße mit Stirnplatten, siehe beispielsweiseAbb. 1.1c, Einführungsbeispiel. Abb. 4.10 zeigtden Stoß eines Trägers mit überstehenden Stirn-platten. Der I-förmige Trägerquerschnitt bestehtaus dem Steg und den beiden Gurten. Die Ver-bindung wird in der Regel so bemessen, dassdas Biegemoment durch ein Kräftepaar ersetztwird, dessen Kräfte in den Gurten wirken. Be-züglich der Kraftübertragung wird angenommen,dass die Druckkraft im Obergurt durch Druck-kontakt zwischen den Stirnplatten ausgeglichenwird. Die Zugkraft im Untergurt muss durchSchraubenzugkräfte übertragen werden. Dabeientstehen auf dem Wege zu den Schrauben Biegemomente in den Stirnplatten (Blechbiege-momente) und, wie in Abb. 4.7 dargestellt, ggf. Abstützkräfte. Für die Bemessung kann dasin Abschnitt 5.12 erläuterte Modell des äquiva-lenten T-Stummels mit Zugbeanspruchung ver-wendet werden. Bei vielen baupraktischen

Merkblatt 322

Abb. 4.9: Bezeichnung beisymmetrischerund regelmäßigerAnordnung derSchrauben

Tabelle 4.1: Beiwerte a und b zur Ermittlung maximaler Schraubenkräfte

b für nx =

nz 1 2 3 4

2 – 1,000 0,667 0,5563 – 1,500 1,000 0,8334 – 1,800 1,200 1,0005 – 2,000 1,333 1,1116 – 2,143 1,429 1,1917 – 2,250 1,500 1,2508 – 2,333 1,556 1,2969 – 2,400 1,600 1,333

10 – 2,455 1,636 1,364

nx + 1 nz – 1b = –––––––– · ––––––––

nx – 1 nz + 1

für nx =

nz 1 2 3 4

2 1,0000 0,5000 0,3333 0,25003 1,0000 0,5000 0,3333 0,25004 0,9000 0,4500 0,3000 0,22505 0,8000 0,4000 0,2667 0,20006 0,7143 0,3571 0,2381 0,17867 0,6429 0,3214 0,2143 0,16078 0,5833 0,2917 0,1944 0,14589 0,5333 0,2667 0,1778 0,1333

10 0,4909 0,2455 0,1636 0,1227

6 nz – 1a = ––––––––– · ––––––––

nx · nz nz + 1


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Anwendungsfällen wird der Versagensmodus 2„Schraubenversagen gleichzeitig mit Fließender Stirnplatte“ gemäß Tabelle 5.9 maßgebend.

Die Nachweisführung mithilfe von Abschnitt5.12 (T-Stummel) in Verbindung mit Abschnitt5.13 (wirksame Längen für Stirnplatten) ist re -lativ aufwändig. Man kann sie abkürzen, wennman das vereinfachte Modell gemäß Abb. 4.11verwendet. Bei diesem Modell wird der Stegdes Trägers beim T-Stummel vernachlässigt, sodass alle vier Schrauben die gleichen Zugkräfteaufnehmen. Auf der sicheren Seite kann darüberhinaus der Nachweis ohne Abstützkräfte geführtwerden. Mithilfe von Tabelle 5.9 unten ergibtsich folgender Doppelnachweis:

Nz Mpl,l,Rd bp · t2p · fy,pFt,Ed = ––––≤ ––––––––––= ––––––––––––––––––

4 2 m 8 m · gM0

Ft,Ed ≤ Ft,Rd

Sofern nur kleine Biegemomente im Stoß zuübertragen sind, reichen bündige Stirnplattenwie in Abb. 4.12 aus. Bei dieser Lösung wirddie Zugkraft im Untergurt auf zwei Wegen durchdie Schrauben geführt. Einerseits erfolgt dieKraftübertragung vom Flansch aus und anderer-seits vom Trägersteg aus in die Stirnplatte. Die Stirnplatten werden durch Biegemomentebeansprucht und es können wie bei den über-stehenden Stirnplatten in Abb. 4.10 und 4.11Abstützkräfte entstehen.

5 Bemessung nach DIN EN 1993-1-8

5.1 Allgemeines

Die Bemessung von Anschlüssen ist in DIN EN 1993-1-8 (150 Seiten) und dem zuge -hörigen deutschen nationalen Anhang (20 Sei-ten) geregelt. Im Folgenden werden aus diesenDokumenten wichtige Grundlagen für die Be-messung geschraubter Verbindungen zusammen-gestellt und ergänzend dazu Bemessungshilfengegeben, die die Nachweisführung erleichtern.

5.2 Werkstofffestigkeiten

Gemäß NA (nationaler Anhang) dürfenSchrauben der Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 8.8und 10.9 verwendet werden. Die Streckgrenzenund die Zugfestigkeiten können Tabelle 5.1entnommen werden.

Abb. 4.10: Trägerstoß mit überstehenden Stirnplatten undÜbertragung des Biegemomentes My

Abb. 4.12: Trägerstoß mit bündigen Stirnplatten

Abb. 4.11: Vereinfachtes Modell für Trägerstöße mit überstehender Stirnplatte


26

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

5.3 Teilsicherheitsbeiwerte

Für die Ermittlung der Beanspruchbarkeitvon Schrauben ist als TeilsicherheitsbeiwertgM2 = 1,25 zu verwenden. Dieser Wert gilt auchfür das Versagen auf Zug im Nettoquerschnittgeschraubter Anschlüsse. Für Bauteile und derenQuerschnitte sind gemäß DIN EN 1993-1-1 undNA gM0 = 1,0 und gM1 = 1,1 für den Grenzzu-stand der Tragfähigkeit anzusetzen.

5.4 Scherverbindungen Kategorie A

Für Scherverbindungen der Kategorie Adürfen Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9 verwendet werden. Die Tragfähigkeiteiner Schraube ist bezüglich des Abscherenseiner Scherfuge mit

Fv,Rd = av · fub · As / gM2

zu ermitteln, wenn das Schraubengewinde inder Scherfuge liegt. Dabei ist As die Spannungs-querschnittsfläche der Schraube und av wie folgtfestgelegt:

av = 0,6 für die Festigkeitsklassen 4.6, 5.6 und 8.8

av = 0,5 für die Festigkeitsklasse 10.9

Wenn der glatte Teil des Schraubenschaftesin der Scherfuge liegt, ist

Fv,Rd = 0,6 · fub · A / gM2

Hier ist A die Querschnittsfläche des Schrau-benschaftes. Als Bemessungshilfe sind in Tabelle 5.3 Grenzabscherkräfte für gängigeSchraubengrößen und die Festigkeitsklassen4.6, 5.6, 8.8 und 10.9 zusammengestellt.

Merkblatt 322

Tabelle 5.2:Nennwerte derStreckgrenze fyund der Zug -festigkeit fu fürwarmgewalztenBaustahl

Festigkeitsklasse der Schraube

4.6 5.6 8.8 10.9

Streckgrenze fyb [N/mm2] 240 300 640 900

Zugfestigkeitfub [N/mm2]

400 500 800 1000

Tabelle 5.1: Nennwerte der Streckgrenze fyb und der Zug-festigkeit fub von Schrauben

Werkstoffnorm Stahlsorte Blechdicke t ≤ 40 mm 40 mm < t ≤ 80 mmfy [N/mm2] fu [N/mm2] fy [N/mm2] fu [N/mm2]

S 235 235 360 215 360

EN 10025-2 S 275 275 430 255 410Unlegierte Baustähle S 355 355 490 335 470

S 450 440 550 410 550

EN 10210-1S 235 H 235 360 215 340

Warmgefertigte HohlprofileS 275 H 275 430 255 410S 355 H 355 510 335 490

EN 10219-1 S 235 H 235 360Kaltgefertigte geschweißte S 275 H 275 430Hohlprofile S 355 H 355 510

Festig- Schraubengröße keit

M12 M16 M20 M24 M27 M30

Glatter Teil des Schaftes in der Scherfuge

4.6 21,7 38,6 60,3 86,8 110,0 135,75.6 27,1 48,2 75,4 108,5 137,5 169,78.8 43,4 77,2 120,6 173,6 220,0 271,5

10.9 54,3 96,5 150,7 217,0 275,0 339,4

Gewinde in der Scherfuge

4.6 16,2 30,1 47,0 67,8 88,1 107,75.6 20,2 37,7 58,8 84,7 110,2 134,68.8 32,4 60,3 94,1 135,6 176,3 215,4

10.9 33,7 62,8 98,0 141,2 183,6 224,4

Tabelle 5.3: Tragfähigkeit Fv,Rd von Schrauben bezüglichAbscheren (eine Scherfuge)


27


Neben dem Abscheren ist auch die Loch -leibung der Anschlusskonstruktionen, d.h. derDruck des Schraubenschaftes auf die Bleche,nachzuweisen. Die Tragfähigkeit bezüglich Loch-leibungsdruck auf ein Blech der Dicke t wirddurch

Fb,Rd = ab · kl · fu · d · t / gM2

begrenzt. Dabei ist d der Nennwert des Schrau-bendurchmessers und fu die Zugfestigkeit desBleches. Die Beiwerte ab und k1 können mit -hilfe von Tabelle 5.4 ermittelt werden. Sie sindin Abhängigkeit von den Lochabständen unter-einander und zu den Rändern hin (in und senk-recht zur Kraftrichtung) zu bestimmen. Soferndie Loch- und Randabstände groß sind und dar-über hinaus fub ≥ fu ist, kann mit den maximalmöglichen Werten ab = 1,0 und k1 = 2,5 gerech-net werden. Bei schräg angreifenden Schrauben-kräften darf die Lochleibungstragfähigkeit ge-trennt für die Kraftkomponenten parallel undsenkrecht zum Rand nachgewiesen werden.

Bei der Anordnung der Schrauben müssenGrenzwerte für die Rand- und Lochabstände ein-gehalten werden. Sie sind in Tabelle 5.5 für dieübliche Lochanordnung ohne gegenseitigen Ver-satz angegeben. Darüber hinaus gelten sie fürStahl, der dem Wetter oder anderen korrosivenEinflüssen ausgesetzt ist, jedoch nicht für wetter-feste Baustähle.

Als Bemessungshilfe sind in Tabelle 5.6maximale Tragfähigkeiten max Fb,Rd und dazuerforderliche minimale Rand- und Lochabständezusammengestellt.

Tabelle 5.6: Maximale Trag-fähigkeiten max Fb,Rd sowieerforderlicheRand- und Loch-abstände

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 216S 355, t = ≤ 40 mm 118 157 196 235 265 294

Minimale Rand- und Lochabstände in mm

Lochdurchmesser 13 18 22 26 30 33min p1 49 68 83 98 113 124min e1 und min p2 39 54 66 78 90 99min e2 20 27 33 39 45 50

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

Schrauben 1, 2 und 3

Rand- bzw. Kleinste Größte Lochabstände Abstände Abstände

Löcher, → : p1 2,2 · d0 200 mm; 14 · tRänder, → : e1 1,2 · d0 40 mm + 4 · tRänder, ↓ : e2 1,2 · d0 40 mm + 4 · tLöcher, ↓ : p2 2,4 · d0 200 mm; 14 · t

Tabelle 5.5: Grenzwerte für Rand- und Lochabstände vonSchrauben

Tabelle 5.4: Beiwerte ab und k1 zur Ermittlung der Tragfähigkeit bezüglich Lochleibung

Beiwert ab Beiwert k1(in Kraftrichtung) (senkrecht zur Kraftrichtung)

Innere Schrauben: Innere Schrauben:p1 1 p2

ab = –––––– – –– k1 = 1,4 · ––– – 1,73 · d0 4 d0

Randschrauben: Randschrauben:e1 e2

ab = –––––– k1 = 2,8 · ––– – 1,73 · d0 d0

p2≤ 1,4 · ––– – 1,7

d0fubJedoch ab ≤ –––fu

Jedoch k1 ≤ 2,5 und ab ≤ 1

28

Durch die Schraubenlöcher in den Anschluss-konstruktionen wird die Tragfähigkeit dieser Bau-teile beeinträchtigt. Die erforderlichen Nachweisesind in der DIN EN 1993-1-1 wie folgt geregelt:• Abschnitt 6.2.3 Zugbeanspruchung

Als Bemessungswert der Zugbeanspruchbar-keit des Nettoquerschnitts längs der kritischenRisslinie durch die Löcher wird

Nu,Rd = 0,9 · Anet · fu / gM2

angesetzt.• Abschnitt 6.2.4 Druckbeanspruchung

Außer bei übergroßen Löchern oder Lang -löchern nach DIN EN 1090 müssen Löcherbei druckbeanspruchten Bauteilen nicht ab-gezogen werden, wenn sie mit den Verbin-dungsmitteln gefüllt sind.

• Abschnitt 6.2.5 BiegebeanspruchungLöcher für Verbindungsmittel dürfen in zug-beanspruchten Flanschen vernachlässigt wer-den, wenn folgende Bedingung für die Flan-sche eingehalten wird:

Af,net · 0,9 · fu / gM2 ≥ Af · fy / gM0

Dabei ist Af die Fläche des zugbeanspruchtenFlansches. Ein Lochabzug im Zugbereich vonStegblechen ist nicht notwendig, wenn dieo.g. Bedingung für die gesamte Zugzone, diesich aus Zugflansch und Zugbereich des Steg-bleches zusammensetzt, sinngemäß erfülltwird. Außer bei übergroßen Löchern undLanglöchern müssen Löcher in der Druck -zone vom Querschnitt nicht abgezogen wer-den, wenn sie mit den Verbindungsmittelngefüllt sind.

• Abschnitt 6.2.6 QuerkraftbeanspruchungBei Verbindungen ist daher der Nettoquer-schnitt anzusetzen.

5.5 Zugverbindungen der Kategorien D und E

Für Zugverbindungen der Kategorie D (nichtvorgespannt) dürfen Schrauben der Festigkeits-klassen 4.6 bis 10.9 verwendet werden. Bei derKategorie E (vorgespannt) sind in der Regelhochfeste Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8und 10.9 einzusetzen. Die Tragfähigkeit einerSchraube bezüglich einer Zugkraft in Richtungder Schraubenachse ist mit

Ft,Rd = k2 · fub · As / gM2

zu ermitteln. Als Beiwert ist k2 = 0,9 bei norma-len Schraubenköpfen anzusetzen, jedoch beiSenkschrauben nur k2 = 0,63. Tabelle 5.7 zeigteine Zusammenstellung von Schraubenzug-kräften für gängige Schraubengrößen. Im Ver-

gleich zu den Abscherkräften in Tabelle 5.3, Fall„Gewinde in der Scherfuge“, sind die Schrauben-zugkräfte bei den Festigkeitsklassen 4.6, 5.6und 8.8 um 50 % größer, bei der Festigkeits-klasse 10.9 sogar um 80 %.

Bei zugbeanspruchten Schrauben bestehtdie Gefahr, dass die Anschlusskonstruktionenüber die Schraubenköpfe hinweg abgerissenwerden. Die Schraubenköpfe werden dabeidurch die Bleche „gestanzt“. Die Tragfähigkeiteiner Schraube bezüglich Durchstanzen ist mit

Bp,Rd = 0,6 · p · dm · tp · fu / gM2

zu ermitteln. Dabei ist dm der Mittelwert ausEckmaß und Schlüsselweite des Schrauben -kopfes oder der Schraubenmutter. Maßgebendist der kleinere Wert. tp ist die Blechdicke desangeschlossenen Bleches. (Anmerkung: GemäßDIN EN 1993-1-8 ist tp die Blechdicke der Schei-be. Dies ist offensichtlich nicht zutreffend.) DasDurchstanzen ist in der Regel nicht maßgebend,weil aufgrund der Blechbiegung entsprechenddicke Bleche benötigt werden. Beispielsweiseerhält man für eine Schraube M30 der Festig-keitsklasse 10.9 und ein 15 mm dickes Blechaus S 235 die folgende Durchstanzkraft:

Bp,Rd = 0,6 · p · (5,0 + 5,54) / 2 · 1,5 · 36,0 / 1,25= 429 kN

Der Vergleich mit der maximalen Schrau-benzugkraft von 403,9 kN (siehe Tabelle 5.7)zeigt, dass das Durchstanzen für tp ≥ 15 mm beiSchrauben bis M30 der Festigkeitsklasse 10.9nicht maßgebend ist.

Zugkräfte können in Schrauben nur einge-leitet werden, wenn sie durch Bleche dorthinübertragen werden. Die Bleche werden dabeidurch Biegemomente beansprucht (Blechbie-gung). Häufig ist die Blechbiegung das maßge-bende Tragfähigkeitskriterium und muss daherunbedingt beachtet werden. In der Regel wirddie Biegemomententragfähigkeit eines Bleches

Merkblatt 322

Festig- Schraubengröße keit

M12 M16 M20 M24 M27 M30

4.6 24,3 45,2 70,6 101,7 132,2 161,65.6 30,3 56,5 88,2 127,1 165,2 202,08.8 48,6 90,4 141,1 203,3 264,4 323,1

10.9 60,7 113,0 176,4 254,2 330,5 403,9

Tabelle 5.7: Tragfähigkeit Ft,Rd von Schrauben auf Zug


29


der Breite b und der Dicke t nach der Plastizitäts-theorie wie folgt bestimmt:

Mpl,Rd = 0,25 · b · t2 · fy / gM0

Einzelheiten der Nachweisführung werdenin 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 mitder folgenden Bedingung nachzuweisen:

Fv,Ed Ft,Ed––––––– + –––––––––––––– ≤ 1,0 Fv,Rd 1,4 · Ft,Rd

5.7 Scherverbindungen der Kategorien B und C

Gemäß Tabelle 1.1 handelt es sich um gleit-feste Verbindungen, bei denen die Kräfte durchReibung übertragen werden. Sie werden in der Baupraxis relativ selten eingesetzt und da-her hier nicht im Detail behandelt (siehe auchAbschnitt 4.3).

5.8 Lange Scherverbindungen

Wenn der Abstand Lj zwischen den Achsendes ersten und des letzten Verbindungsmittelsin einem langen Anschluss, gemessen in Rich-tung der Kraftübertragung, mehr als 15 · d be-

trägt, so ist in der Regel der Bemessungswertder Abschertragfähigkeit Fv,Rd (siehe Abschnitt5.4) aller Verbindungsmittel mit einem Abmin-derungsbeiwert bLf abzumindern. Er kann wiein Abb. 5.1 angegeben bestimmt werden.Wenn man eine Abminderung so weit wie mög-lich vermeiden will, sollten für den Lochabstandp1 die kleinsten Abstände, also p1 = 2,2 · d0, gewählt werden. Die Abminderung wird erstdann 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 einerSchraubenreihe sollten Scheiben sowohl unterdem Schraubenkopf als auch unter der Muttereingesetzt werden. Die Lochleibungstragfähig-keit Fb,Rd der Schrauben ist zu begrenzen auf:

Fb,Rd ≤ 1,5 fu · d · t / gM2

Im Vergleich zur Ermittlung von Fb,Rd in Ab-schnitt 5.4 bedeutet dies, dass ab · k1 = 1,5 an-gesetzt wird, also 60 % des maximal möglichenWertes. Bei Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8und 10.9 in einschnittigen Anschlüssen mitnur einer Schraube oder einer Schraubenreihesind in der Regel gehärtete Scheiben zu ver-wenden.

5.10 Einschenklig angeschlossene Winkel unter Zugbelastung

Die Exzentrizität von Anschlüssen sowiedie Einflüsse von Loch- und Randabständen derSchrauben sind in der Regel bei der Bestimmungder Tragfähigkeiten von• unsymmetrischen Bauteilen und• symmetrischen Bauteilen, deren Anschluss

unsymmetrisch erfolgt, z.B. bei einseitig an-geschlossenen Winkeln,

zu berücksichtigen.Einschenklig mit einer Schraubenreihe an-

geschlossene Winkel, siehe Abb. 5.3, dürfen wiezentrisch belastete Winkel bemessen werden,wenn die Tragfähigkeit Nu,Rd mit einem effekti-ven Nettoquerschnitt wie folgt bestimmt wird:Abb. 5.1: Abminderungsfaktor für lange Scherverbindungen

Abb. 5.2: Einschnittige Verbindung mit einer Schraubenreihe


30

bei einer Schraube:

2,0 · (e2 – 0,5 · d0) · t · fuNu,Rd = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––

gM2

bei zwei Schrauben:

b2 · Anet · fuNu,Rd = ––––––––––––––––––

gM2

bei drei und mehr Schrauben:

b3 · Anet · fuNu,Rd = ––––––––––––––––––

gM2

b2, b3 Abminderungsbeiwerte abhängig vomLochabstand p1 gemäß Tabelle 5.8.Zwischenwerte dürfen linear interpo-liert werden.

Anet Nettoquerschnittsfläche des Winkel -profils. Bei ungleichschenkligen Winkel-profilen mit Anschluss des kleinerenSchenkels ist für Anet die Nettoquer-schnittsfläche eines entsprechendengleichschenkligen Winkelprofils mit einer Schenkellänge gleich der kleinerenSchenkellänge anzunehmen.

5.11 Blockversagen von Schraubengruppen

Bei den in Abb. 5.4 und 5.5 dargestelltenAnschlüssen kann es zum Herausreißen derAnschlussbereiche kommen, wenn große An-schlusskräfte in relativ kleinen Anschlussberei-chen übertragen werden sollen. Gemäß DIN EN1993-1-8 handelt es sich um das Blockversagen

von Schraubengruppen, was durch die Kombi-nation von Schub- und Zugversagen der An-schlussbleche verursacht wird. Für eine symme-trisch angeordnete Schraubengruppe unter zen-trischer Belastung ergibt sich der Widerstandgegen Blockversagen zu:

fyVeff,1,Rd = fu · Ant / gM2 + –––––– · Anv / gM0

√−−3

Dabei ist Ant die zugbeanspruchte und Anv

die schubbeanspruchte Querschnittsfläche. Füreine Schraubengruppe unter exzentrischer Be-lastung wird in DIN EN 1993-1-8 folgenderGrenzwert angegeben:

fyVeff,2,Rd = 0,5 · fu · Ant / gM2 + –––––– · Anv / gM0

√−−3

Merkblatt 322

Abb. 5.3: Einschenklig angeschlossene Winkel

Abb. 5.4: Blockversagen von Schraubengruppen bei Knotenblechen

Abb. 5.5: Blockversagen von Schraubengruppen an TrägerendenLochabstand p1 ≤ 2,5 d0 ≥ 5,0 d0

2 Schrauben b2 = 0,4 b2 = 0,7

3 Schrauben und mehr b3 = 0,5 b3 = 0,7

Tabelle 5.8: Abminderungsbeiwerte b2 und b3

5.12 T-Stummel mit Zugbeanspruchung

Zur Berechnung der Tragfähigkeit der fol-genden Grundkomponenten geschraubter An-schlüsse kann das Modell des äquivalenten T-Stummels mit Zugbeanspruchung verwendetwerden:• Stützenflansch mit Biegebeanspruchung• Stirnblech mit Biegebeanspruchung• Flanschwinkel mit Biegebeanspruchung• Fußplatte mit Biegebeanspruchung infolge

Zugbeanspruchung


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Die Abmessungen eines äquivalenten T-Stum-mel-Flansches sind in Abb. 5.6 angegeben. Seine Tragfähigkeit kann mithilfe von Tabelle5.9 bestimmt werden. Wenn Abstützkräfte auf-treten können, ist die Zugtragfähigkeit FT,Rd

eines T-Stummel-Flansches als der kleinste der

Werte für die drei möglichen VersagensartenModus 1, Modus 2 und Modus 3 anzusetzen.Treten keine Abstützkräfte auf, ist die Zugtrag-fähigkeit FT,Rd eines T-Stummel-Flansches alsder kleinste der Werte für die beiden möglichenVersagensarten nach Tabelle 5.9 festzulegen.

Tabelle 5.9: TragfähigkeitFT,Rd eines T-Stummel-Flansches beiZugbean -spruchung

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

Modus 1 Verfahren 1 Verfahren 2 (alternatives Verfahren)

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

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

2 · Mpl,2,Rd + nSFt,RdModus 2 FT,2,Rd = ––––––––––––––––––––––––m + n

Modus 3 FT,3,Rd = SFt,Rd

Keine Abstützkräfte

2 · Mpl,1,RdModus 1 und Modus 2 FT,1,Rd = FT,2,Rd = ––––––––––––m

Modus 3 FT,3,Rd = SFt,Rd

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

Die in Tabelle 5.9 enthaltenen Parameter haben folgende Bedeutung:Lb Dehnlänge der Schraube, angesetzt mit der

gesamten Klemmlänge (Gesamtdicke des Blech-pakets und der Scheiben), plus der halbenSchraubenkopfhöhe und halben Mutternhöhe.Bei Ankerschrauben die Dehnlänge, angesetztmit der Summe aus dem 8-fachen Schrauben-durchmesser, den Dicken der Mörtelschicht, der Fußplatte, der Scheiben und der halben Mutternhöhe.

8,8 · m3 · As · nbLb*= –––––––––––––––––∑ℓeff,1 · t f3

FT,Rd Bemessungswert der Zugtragfähigkeit eines T-Stummel-Flansches

Mpl,1,Rd = 0,25 ∑ℓeff,1 tf2 fy / gM0

Mpl,2,Rd = 0,25 ∑ℓeff,2 tf2 fy / gM0

Mbp,Rd = 0,25 ∑ℓeff,1 tbp2 fy,bp / gM0

Q Abstützkraftn = emin, jedoch n ≤ 1,25 · mnb Anzahl der Schraubenreihen

(mit 2 Schrauben je Reihe)

Ft,Rd Bemessungswert der Zugtragfähigkeit der Schraube, siehe Tabelle 5.7

∑Ft,Rd Summe aller Ft,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 Streckgrenze der Futterplatten (siehe Abb. 5.7)

tbp Dicke der Futterplattenew = dw/4dw 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 Schraubenkopfbzw. Mutter wirkenden Kräfte gleichmäßig verteilt sindund nicht konzentriert in der Schraubenachse angreifen(siehe Skizze in Tabelle 5.9). Diese Annahme führt zu einer höheren Tragfähigkeit für Modus 1.


32

Abschnitt 6.2.4 der DIN EN 1993-1-8 ent-hält ergänzende Regelungen für Verstärkungs-bleche, einzelne Schraubenreihen, Schrauben-gruppen und Gruppen von Schraubenreihen,die bei der Ermittlung der Tragfähigkeit zu be-achten sind (siehe Abb. 5.7).

5.13 Stirnbleche mit Biegebeanspruchung

Zur Ermittlung der Tragfähigkeit von T-Stum-mel-Flanschen mithilfe von Tabelle 5.9 werdenwirksame Längen ℓeff benötigt. Sie können nach

DIN EN 1993-1-8 für ausgesteifte und nicht aus-gesteifte Stützenflansche sowie für Stirnblechebestimmt werden. Als Beispiel ist hier die Er-mittlung wirksamer Längen für Stirnbleche in Tabelle 5.10 dargestellt. Der Beiwert a inAbb. 5.8 wird benötigt, wenn aufgrund zusätz-licher Aussteifungen (im Vergleich zu Abb. 5.6rechts) die Schraubenkräfte in zwei Richtungenübertragen werden können.

Die Durchführung der Berechnungen wirdmit den Berechnungsbeispielen in den Abschnit-ten 6.5 und 6.6 erläutert.

Merkblatt 322

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

Abb. 5.7: Stützenflansch mit Verstärkungsblechen (Futterplatten)

Tabelle 5.10:Wirksame Längen für Stirnplatten

Lage der Schraubenreihe Schraubenreihe als Teil Schraubenreihe einzeln betrachtet einer Gruppe von Schraubenreihen

Kreisförmiges Nicht kreisförmiges Kreisförmiges Nicht kreisförmiges Muster Muster Muster Musterℓeff,cp ℓeff,nc ℓeff,cp ℓeff,nc

Der kleinste Der kleinste Wert von:Wert von: 4mx + 1,25exÄußere Schraubenreihe

2pmx e + 2mx + 0,625ex – –neben Trägerzugflanschpmx + w 0,5bp

pmx + 2e 0,5w + 2mx + 0,625ex

Innere Schraubenreihe am0,5p + am

neben Trägerzugflansch2pm

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

(a siehe Abb. 5.8)

Andere innere 2pm 4m + 1,25e 2p p

Schraubenreihe

Andere äußere 2pm 4m + 1,25e pm + p 2m + 0,625e + 0,5p

Schraubenreihe

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


33


6 Bemessungsbeispiele nach DIN EN 1993-1-8

6.1 Vorbemerkungen

In den folgenden Abschnitten werden Nach-weise für sechs Berechnungsbeispiele geführt.Grundsätzlich ist dabei vorab zu klären, in wel-che Kategorie der geschraubte Anschluss ein -zuordnen ist und welche Nachweiskriterien ein-zuhalten sind. Hierzu ist Tabelle 1.1 als Grund-lage heranzuziehen.

Für in der Praxis häufig vorkommende stan-dardisierte Anschlüsse können die Tragfähigkei-ten nach [2] bestimmt werden.

Zahlreiche weitere Beispiele sowie ergän-zende Erläuterungen zum Tragverhalten ge-schraubter Verbindungen finden sich in [4].

6.2 Anschluss Flachblech/Knotenblech

Der Anschluss entspricht der Kategorie Anach Tabelle 1.1 und ist in Abb. 6.1 dargestellt.

Die Zugkraft wird auf alle Schrauben gleich-mäßig verteilt, so dass Fv,Ed = 240 / 4 = 60 kNbeträgt.

Zum Nachweis ausreichender Tragfähig-keit sind das Abscheren und die Lochleibung zuuntersuchen. Außerdem ist die Tragfähigkeit imNettoquerschnitt zu überprüfen.

Nachweiskriterium Abscheren:N

M16–8.8 (Gewinde): d = 16 mm; fub = 800 ––––––mm2

Fv,Rd = av · fub · As / gM2

= 0,6 · 80 · 1,57 / 1,25 = 60,3 kN

(siehe Tabelle 5.3, Gewinde in der Scherfuge)

Fv,Ed 60,0–––––––– = ––––––––– = 0,995 ≤ 1,0Fv,Rd 60,3

Nachweiskriterium Lochleibung:

Die Abstände genügen offensichtlich denMindestabständen, da die Randabstände größerals 1,2 d0 und die Lochabstände größer als 2,2 d0

sind.Beiwerte k1 und ab nach Tabelle 5.4 (für alle

Schrauben):

p2 6,01,4 · –––– – 1,7 = 1,4 · ––––––– – 1,7 = 2,97

d0 1,8

e2 3,02,8 · –––– – 1,7 = 2,8 · ––––––– – 1,7 = 2,97

kl = 2,5

d0 1,8

2,5

p1 1 6,0 1––––––– – ––– = ––––––––––– – ––– = 0,863 · d0 4 3 · 1,8 4

e1 3,0 ––––––– = ––––––––––– = 0,55 ab = 0,553 · d0 3 · 1,8

fub 80 ––– = ––––– = 2,2fu 36

1,0

Abb. 5.8: Beiwert a zur Ermittlung wirksamer Längen fürausgesteifte Stützenflansche und Stirnplatten

Abb. 6.1: Anschluss einer Zuglasche


34

Bemessungswert der Tragfähigkeit:

Fb,Rd = kl · ab · d · t · fu / gM2= 2,5 · 0,55 · 1,6 · 1,2 · 36 / 1,25= 76,0 kN

Nachweis:

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

Tragfähigkeit im Nettoquerschnitt:

Anet = (12 – 2 · 1,8) · 1,2 = 10,08 cm2

0,9 · 10,08 · 36Nu,Rd = –––––––––––––––––––––– = 261 kN

1,25

NEd = 240 kN < Nu,Rd

6.3 Einseitig an ein Knotenblechangeschlossener Winkel

Für den in Abb. 6.2 abgebildeten Anschlusseines zugbeanspruchten Winkels an ein Knoten-blech sind die Tragfähigkeitsnachweise zuführen. Auch in diesem Fall kann der Anschlussin die Kategorie A (Tabelle 1.1) eingeordnetwerden.

Gemäß DIN EN 1993-1-8 ist neben den Nach-weisen gegen Abscheren und Lochleibung auchdie Tragfähigkeit des Profils zu untersuchen.Wenn der Nachweis nach Abschnitt 5.10 füreinen effektiven Nettoquerschnitt erfolgt, kannder Winkel als zentrisch belastet angesehenwerden.

Nachweiskriterium Abscheren:

NM20–5.6 (Schaft): d = 20 mm; fub = 500 ––––––

mm2

50Fv,Rd = 0,6 · 3,14 · ––––– = 75,4 kN

1,25

Nachweis mit Fv,Ed = 110 / 2 = 55 kN:

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


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

Beiwerte k1 und ab:

e2 3,62,8 · –––– – 1,7 = 2,8 · ––––––– – 1,7 = 2,88

kl = 2,5d0 2,2

2,5

p1 1 7,0 1––––––– – ––– = ––––––––––– – ––– = 0,813 · d0 4 3 · 2,2 4

e1 5,0 ––––––– = ––––––––––– = 0,76

ab = 0,763 · d0 3 · 2,2

fub 50 ––– = ––––– = 1,02fu 49

1,0

49Fb,Rd = 2,5 · 0,76 · 0,8 · 2,0 · ––––––

1,25= 119,2 kN

Nachweis:

Fb,Ed 55–––––––– = –––––––––– = 0,461 < 1,0Fb,Rd 119,2

Nachweiskriterium Zugstab:

Die Tragfähigkeit des mit zwei Schrauben an-geschlossenen Winkels darf wie folgt bestimmtwerden:

3,18 – 2,5b = 0,4 + 0,3 · –––––––––––––– (mit p1/d = 70/22 = 3,18)

5,0 – 2,5= 0,48

Anet = 13,89 – 0,8 · 2,2 = 12,13 cm2

0,48 · 12,13 · 49Nu,Rd = –––––––––––––––––––––––– = 228,2 kN

1,25

NEd = 110 kN < Nu,Rd

Merkblatt 322

Abb. 6.2: Anschluss eines auf Zug beanspruchten Winkelsan ein Knotenblech

322 Geschraubte Verb NACHDRUCK 221012_D 322 23.10.12 09:07 Seite 34

35


6.4 Gelenkiger Trägeranschluss mit Winkel

In Abb. 6.3 ist ein gelenkiger Nebenträger-anschluss an einen Hauptträger dargestellt. Dieverwendeten Anschlusswinkel sind mit zuge -hörigen Maßen in Abb. 6.4 abgebildet. Die zuübertragende Querkraft beträgt Vz,Ed = 80 kNund wirkt in der Stegachse des Hauptträgers.

Für den dargestellten Anschluss sind zweiVerbindungen nachzuweisen: die VerbindungenTräger – Winkel und Winkel – Querträger. Siewerden getrennt voneinander untersucht. DerGelenkpunkt liegt im Steg des Hauptträgers.

Verbindung Nebenträger – Winkel:

Schnittgrößen im Schwerpunkt des Winkel-anschlusses:Vz,Ed = 80 kNMy,Ed = 80 · (5,5 + 1,4 / 2) = 496 kNcm

Schraubenkräfte in x- und z-Richtung sowieResultierende:

Vz,Ed,i = 80 / 2 = 40 kN

Vx,Ed,i = 496 / 11 = 45,1 kN−−−−−−−−−−−−

VR,Ed,i = √402 + 45,12 = 60,3 kN

Nachweis Abscheren:

Fv,Rd,i = 2 · 96,5 = 193 kN (siehe Tabelle 5.3, Schaft in den Scherfugen, 2 Scherfugen)

Fv,Ed,i 60,3–––––––––– = ––––––––– = 0,312 < 1,0Fv,Rd,i 193

Nachweiskriterium Lochleibung Nebenträger:

Der Nachweis bezüglich Lochleibung kannfür jede Richtung separat geführt werden. DerSpalt zwischen Nebenträger und Hauptträgerbeträgt planmäßig 5 mm.

Horizontale Richtung:el = 55 – 5 = 50 mm → el / d0 = 2,78 Mit e2 = 46 mm → e2 / d0 = 2,56 Tab. 5.4p2 = 110 mm → p2 / d0 = 6,11 kl · ab = 2,3

Fb,Rd = 2,3 · 0,71 · 1,6 · 36 / 1,25 = 75,2 kN

Fb,Ed 45,1–––––––– = ––––––––– = 0,600Fb,Rd 75,2

Vertikale Richtung:el = 46 mmp1 = 110 mm

Mit Tab. 5,4

e2 = 55 – 5 = 50 mm kl · ab = 2,1

Fb,Rd = 2,1 · 0,71 · 1,6 · 36 / 1,25 = 68,7 kN

Fb,Ed 40–––––––– = ––––––––– = 0,582Fb,Rd 68,7

Nachweiskriterium Lochleibung Winkel:

Horizontale Richtung:el = 35 mm → el / d0 = 1,94 Mit e2 = 45 mm → e2 / d0 = 2,50 Tab. 5.4p2 = 110 mm → p2 / d0 = 6,11 kl · ab = 1,6

Fb,Rd = 1,6 · 0,9 · 1,6 · 36 / 1,25 = 66,4 kN

Fb,Ed 45,1 / 2–––––––– = –––––––––––––– = 0,340 < 1,0Fb,Rd 66,4

Vertikale Richtung:analog zur horizontalen Richtung, o.w.N.

Abb. 6.3: Anschluss eines Nebenträgers an einen Haupt-träger mit Winkeln

Abb. 6.4: Detail Anschlusswinkel (S 235) mit Abmessungen


36

Verbindung Winkel – Hauptträger:

Schnittgrößen im Schwerpunkt des Schrau-benbildes:Vz,Ed = 80 / 2 = 40 kNMx,Ed = 40 · (5,5 + 0,71 / 2) = 234,2 kNcm

Da die Schraubenkräfte hinsichtlich des Abscherens in etwa identisch oder kleiner sind,ist der Nachweis offensichtlich erfüllt. Ähnlichverhält es sich mit dem Nachweis bezüglichLochleibung, der im vorliegenden Fall nichtmaßgebend wird. Neben den Nachweisen fürdie geschraubte Verbindung ist auch die Quer-schnittstragfähigkeit des Winkels und des aus-geklinkten Trägers zu untersuchen.

6.5 Biegesteifer Stoß mit Laschen

Im Folgenden wird der biegesteife Laschen-stoß gemäß Abb. 6.5 betrachtet. Neben der Zugkraft NEd = 250 kN sind das BiegemomentMy,Ed = 160 kNm und die Querkraft Vz,Ed = 180 kNzu übertragen. Der Anschluss entspricht der Kate-gorie A nach Tabelle 1.1.

Teilschnittgrößen:

Zunächst werden die Beanspruchungen derGurte und des Steges ermittelt. Die Normalkraftund das Biegemoment werden den Gurten zu-geteilt. Die Querkraft wird dem Steg zugewie-sen. Dabei ist das Versatzmoment von der Stoß-mitte bis zum Schwerpunkt des Schraubenbildeszu berücksichtigen.

Flansch oben:

250 16000NOG = –––––– – –––––––––––––––– = – 535 kN

2 (26 – 1,75)

Flansch unten:

250 16000NUG = –––––– + –––––––––––––––– = 785 kN

2 (26 – 1,75)

Steg:Vz = 180 kNMy,versatz = 180 · (10 + 7) / 2 = 1530 kNcm

Verbindung Untergurt – Lasche:Für die Bemessung der Flanschverbindun-

gen ist die Laschenverbindung des unteren Flan-sches maßgebend.


Fv,Ed 785 / 6–––––––– = ––––––––––––– = 0,60 < 1,0Fv,Rd 217


el / d0 = 50 / 26 = 1,92e2 / d0 = 60 / 26 = 2,30 Nach Tab. 5.4p1 / d0 = 70 / 26 = 2,69 kl · ab = 1,60p2 / d0 = 140 / 26 = 5,38

Maßgebend ist der Trägerflansch mit tf = 17,5 mm.

Fb,Ed 785 / 6–––––––– = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– = 0,676 < 1,0Fb,Rd 1,6 · 1,75 · 2,4 · 36 / 1,25

Tragfähigkeit des unteren Flansches:

0,9 · (26 – 2 · 2,6) · 1,75 · 36NUG,Rd = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– = 944 kN

1,25

NUG,Ed = 785 kN < Nu,Rd

Verbindung Steg – Lasche:

Die maximalen Schraubenkraftkomponen-ten in x- und z-Richtung betragen (Tabelle 4.1:a = 0,5; b = 1):

1530 0,5Fx,Ed = ––––––– · –––––––––––––––––––––––––– = 54,2 kN

8 1 + 1 · (7,0 / 8,0)2

180 7,0Fz,Ed = –––––– + 54,2 · ––––– = 92,4 kN

4 8,0

Nachweiskriterium Abscheren für die zweischnit-tige Verbindung (m = 2):

−−−−−−−−−−−−−−Fv,Ed √54,22 + 92,42 107,1–––––––– = –––––––––––––––––––––– = –––––––– = 0,247 < 1,0Fv,Rd 217 · 2 434


Vertikale Komponente:

el / d0 = 45 / 26 = 1,73e2 / d0 = 50 / 26 = 1,93 Nach Tab. 5.4p1 / d0 = 80 / 26 = 3,08 kl · ab = 1,19p2 / d0 = 70 / 26 = 2,69

Merkblatt 322

Abb. 6.5: Biegesteifer Stoßeines HEB 260


37


Laschen:Fb,Ed 92,4–––––––– = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– = 0,702 < 1,0Fb,Rd 1,19 · 0,8 · 2 · 2,4 · 36 / 1,25

Steg:

e1/d0 > 3,0; e2 / d0 = 45/26 = 1,73→ k1 · ab = 1,6

Fb,Ed 92,4–––––––– = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– = 0,836 < 1,0Fb,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

6.6 Anschluss eines Zugstabes mit Stirnplatte

Ein vertikaler Zugstab soll an einen hori-zontal liegenden Träger mithilfe einer Stirn-plattenverbindung angeschlossen werden, sieheAbb. 6.6. Die Verbindung soll aus Gründen derGebrauchstauglichkeit planmäßig vorgespanntwerden. Sie entspricht der Kategorie E nach Tabelle 1.1.

Für die Nachweisführung wird der Anschlussin zwei T-Stummel-Anschlüsse mit jeweils vierSchrauben aufgeteilt, siehe Abb. 6.7. Die Zug-kraft wird zu gleichen Teilen auf die Gurte auf-geteilt und der günstige Einfluss des Steges wirdvernachlässigt.

Mpl,Rd = 0,25 · leff · tp2 · fy / gM0

= 0,25 · 17 · 22 · 23,5 / 1,0 = 400 kNcmFt,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 cm8,8 · 3,173 · 2,45 · 2

Lb* = –––––––––––––––––––––––––––– = 10,1 cm17,0 · 2,03

Wegen Lb < Lb* können Abstützkräfte auftreten.

4 · 400FT,1,Rd = –––––––––––

3,17= 505,0 kN

2 · 400 + 3,0 · 4 · 176,4FT,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 < 1,0FT,Rd 473

6.7 Biegesteifer Stoß mit Stirnplatten

Der in Abb. 6.8 dargestellte Stoß (Katego -rien A und E nach Tabelle 1.1) eines IPE 400 mitüberstehenden Stirnplatten ist für die folgendenEinwirkungen nachzuweisen:My,Ed = 185 kNmVz,Ed = 100 kN

Wie bei dem vorherigen Beispiel wird dasT-Stummel-Modell verwendet und es wird dergünstige Einfluss des Steges vernachlässigt. Den

Abb. 6.6: Anschluss eines Zugstabes mit Stirnplatte

Abb. 6.7: T-Stummel des Anschlusses von einem Zugstabflansch


38

beiden oberen Schrauben wird die Übertra-gung der Querkraft zugewiesen, die daher derKategorie A nach Tabelle 1.1 zuzuordnen sind.Die Schrauben am Untergurt werden gemäßAbschnitt 4.6 durch Zugkräfte beansprucht undzusätzlich vorgespannt (Kategorie E).

Die Zugnormalkraft im unteren Flansch beträgt:NEd = 18500 / (40–1,35) = 478,6 kN

Für die Berechnung der Tragfähigkeit des T-Stummels werden folgende Werte benötigt:n = e = 3,0 cmleff = b = 18 cmm = (9,5 – 1,35) / 2 – 0,8 · 0,9 · √−2 = 3,06 cmFt,Rd = 176,4 kNMpl,Rd = 0,25 · 22 · 18 · 23,5 / 1,0 = 423 kNcm

Bemessungswert der Tragfähigkeit unterder Annahme, dass sich Abstützkräfte ausbildenkönnen:

4 · 423FT,1,Rd = –––––––––––

3,06= 553 kN

2 · 423 + 3,0 · 4 · 176,4FT,2,Rd = –––––––––––––––––––––––––––––––––––

3,06 + 3,0= 489 kN (maßgebend)

FT,3,Rd = 4 · 176,4 = 705,6 kN

Nachweis des T-Stummels:

NEd 478,6–––––––– = –––––––––– = 0,979 < 1,0FT,Rd 489

Die Querkraft wird den beiden Schraubenim Bereich des oberen Trägerflansches zuge-wiesen.


Fv,Ed = 100 / 2 = 50 kN < 150,7 kN = Fv,Rd

(siehe Tabelle 5.3, Schaft in der Scherfuge)


Mit e2 / d0 = 45 / 22 = 2,05 ergibt sich ab · k1 =2,5, so dass Fb,Rd für 1 cm Blechdicke aus Tabelle 5.6 abgelesen werden kann.

Fv,Ed = 50 kN < 114 · 2,0 = 228 kN = Fb,Rd

7 Normen

DIN EN 1090-2Ausführung von Stahltragwerken und Alumini-umtragwerken – Teil 2: Technische Regeln fürdie Ausführung von Stahltragwerken (2011-10)

DIN EN 1993-1-1Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion vonStahlbauten – Teil 1-1: Allgemeine Bemessungs-regeln und Regeln für den Hochbau (2010-12)mit NA (2010-12)

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

DIN EN 14399Hochfeste planmäßig vorspannbare Schrauben-verbindungen für den Metallbau– Teil 1: Allgemeine Anforderungen (2006-06)– Teil 2: Prüfung der Eignung zum Vorspannen

(2006-06)– Teil 3: System HR – Garnituren aus Sechskant-

schrauben und -muttern (2006-06)– Teil 4: System HV – Garnituren aus Sechskant-

schrauben und -muttern (2006-06)– Teil 5: Flache Scheiben (2006-06)– Teil 6: Flache Scheiben mit Fase (2006-06)– Teil 7: System HR – Garnituren aus Senkschrau-

ben und Muttern (2008-03)– Teil 8: System HV – Garnituren aus Sechskant-

Passschrauben und Muttern (2008-03)– Teil 9: System HR oder HV – Direkte Kraft -

anzeiger für Garnituren aus Schrauben undMuttern (2009-07)

– Teil 10: System HRC – Garnituren aus Schrau-ben und Muttern mit kalibrierter Vorspan-nung (2009-07)

Merkblatt 322

Abb. 6.8: Biegesteifer Stoß eines IPE 400 mit Stirnplatten


39


DIN EN 15048-1Garnituren für nicht planmäßig vorgespannteSchraubenverbindungen für den Metallbau –Teil 1: Allgemeine Anforderungen (2007-07)

DIN EN 20898-2Mechanische Eigenschaften von Verbindungs-elementen – Teil 2: Muttern mit festgelegtenPrüfkräften; Regelgewinde (1994-02)

DIN EN ISO 286-2Geometrische Produktspezifikation (GPS) – ISO-Toleranzsystem für Längenmaße – Teil 2: Tabel-len der Grundtoleranzgrade und Grenzabmaßefür Bohrungen und Wellen (2010-11)

DIN EN ISO 898-1Mechanische Eigenschaften von Verbindungs-elementen aus Kohlenstoffstahl und legiertemStahl – Teil 1: Schrauben mit festgelegten Festig-keitsklassen – Regelgewinde und Feingewinde(2009-08)

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

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

DIN EN ISO 4017Sechskantschrauben mit Gewinde bis Kopf – Pro-duktklassen A und B (2011-07)

DIN EN ISO 4018Sechskantschrauben mit Gewinde bis Kopf – Pro-duktklasse C (2011-07)

DIN EN ISO 4032Sechskantmuttern, Typ 1 – Produktklassen A undB (2012-05)

DIN EN ISO 4033Sechskantmuttern, Typ 2 – Produktklassen A undB (2012-05)

DIN EN ISO 4034Sechskantmuttern – Produktklasse C (2012-06)

DIN EN ISO 7089Flache Scheiben – Normale Reihe, ProduktklasseA (2000-11)

DIN EN ISO 7090Flache Scheiben mit Fase – Normale Reihe, Pro-duktklasse A (2000-11)

DIN EN ISO 7091Flache Scheiben – Normale Reihe, ProduktklasseC (2000-11)

DIN ISO 724Metrische ISO-Gewinde allgemeiner Anwen-dung – Grundmaße (ISO 724:1993 + Cor. 1:2009)(2010-01)

DIN ISO 965-1Metrisches ISO-Gewinde allgemeiner Anwen-dung – Toleranzen – Teil 1: Prinzipien undGrundlagen (1999-11)

DIN ISO 1891Mechanische Verbindungselemente – Benennun-gen (2009-09)

8 Literatur

[1] Oberegge, O., Hockelmann, H.-P.:Bemessungshilfen für profilorientiertes Konstru-ieren. Stahlbau-Verlagsgesellschaft mbH, 3. Auf-lage, Köln 1997

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

[3] Schmidt, H., Stranghöner, N.:Ausführung geschraubter Verbindungen nachDIN EN 1090-2. Stahlbau-Kalender 2011, VerlagErnst & Sohn, Berlin 2011

[4] Kindmann, R., Stracke, M.:Verbindungen im Stahl- und Verbundbau. VerlagErnst & Sohn, 2. Auflage, Berlin 2009

[5] Kindmann, R., Kraus, M., Niebuhr, H. J.:Stahlbau kompakt. Verlag Stahleisen, 2. Auflage,Düsseldorf 2008

[6] Schneider, S., Ungermann, D.:Geschraubte Anschlüsse und Verbindungen nachDIN EN 1993-1-8. Stahlbau 89, Verlag Ernst &Sohn, Berlin 2010

[7] Weynand, K., Stark, S.:Anwendungen von Schrauben im Stahlbau. Merk-blatt 322, Stahl-Informations-Zentrum, Düssel-dorf 2001


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