Entwicklung einer Methode zur Berechnung von Kopfplattenstößen mit sechs Schnittgrößen ohne FEM-Programmen

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Entwicklung einer Methode zur Berechnung von Kopfplattenstößen mit sechs Schnittgrößen ohne

FEM-Programmen

Creating of a method for the calculation of head- plate-joints with six internal forces without

FEM-software

Masterarbeit

Zur Erlangung des akademischen Grades

Diplom-Ingenieur für technisch-wissenschaftliche Berufe

der Fachhochschule FH Campus Wien

Masterstudiengang: Bauingenieurwesen-Baumanagement

Vorgelegt von:

Florian Ofner, BSc

Personenkennzeichen:

c1610326037

Erstbegutachter:

Dipl.-Ing. Christian Salzer

Zweitbegutachter:

FH-Prof. DI Dr.techn. Markus Vill Eingereicht am:

02. 07. 2018

(2)

Erklärung:

Ich erkläre, dass die vorliegende Masterarbeit von mir selbst verfasst wurde und ich keine anderen als die angeführten Behelfe verwendet bzw. mich auch sonst keiner unerlaubte- ren Hilfe bedient habe.

Ich versichere, dass ich diese Masterarbeit bisher weder im In- noch im Ausland (einer Beurteilerin/einem Beurteiler zur Begutachtung) in irgendeiner Form als Prüfungsarbeit vorgelegt habe.

Weiters versichere ich, dass die von mir eingereichten Exemplare (ausgedruckt und elektronisch) identisch sind.

Datum: ... Unterschrift: ...

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Danksagung

Besonderer Dank gilt meinem Betreuer Herrn DI Christian Salzer für die großartige Un- terstützung bei der Erstellung dieser Arbeit und für die angenehmen Besprechungen im Rahmen des Diplomandenseminars.

Weiters möchte ich mich bei den Mitarbeitern des Büro RWT Plus ZT GmbH für die gute Zusammenarbeit und für die zahlreichen Hilfestellungen bei der Erstellung dieser Master- arbeit bedanken. Hier gilt besondere Anerkennung dem Stahlbauteam unter der Leitung von Ing. Thomas Rabl.

Zuletzt möchte ich die wichtigsten Menschen in meinem Leben erwähnen. Meine Eltern Leopold und Cäcilia und meine Geschwister Cornelia, Birgit und Christoph haben mich immer unterstützt und haben mir in der Zeit meines Studiums stets Kraft und Rückhalt gespendet.

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Kurzfassung

Entwicklung einer Methode zur Berechnung von Kopfplattenstößen mit sechs Schnittgrößen ohne FEM-Programmen

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Kopfplattenstößen und deren Berechnungsmöglichkei- ten. Kopfplattenstöße sind gängige Verbindungsmethoden im Stahlbau bei H- oder I-Profilen. Diese Verbindungen bestehen aus mehreren Einzelkomponenten, den Schrauben, den Schweißnähten und der Kopfplatte selbst.

Die üblichen Berechnungsmethoden gelten nur in bestimmten Situationen, nämlich nur bei Beanspruchungen mit den Schnittgrößen Normalkraft N, Querkraft Vz und Biegemo- ment My

. Treten andere Belastungen auf, liefern die Normen keine Regelungen zur Berechnung. Bei räumlichen Tragwerkssystemen ist es jedoch oft möglich, dass alle sechs Schnittkräfte in den Trägern auftreten können. Bei Beanspru- chungen mit den Schnittgrößen Querkraft

Vy

, Torsionsmoment

MT

oder Biege- moment

Mz

bleibt für die Berechnung oft nur die Möglichkeit der Finite-Elemente- Methode (FEM) mit einer geeigneten Computersoftware.

In dieser Masterarbeit werden die üblichen Berechnungsmodelle aus dem Euro- code 3 erläutert. Außerdem werden die Tabellen der Typisierten Anschlüsse im Stahlhochbau nach DIN EN 1993-1-8 (den sogenannten DSTV-Stößen des Deut- schen Stahlbau-Verbands) und deren Anwendung erklärt.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein möglicher Berechnungsansatz für Kopfplatten- stöße mit sechs Schnittkräften erläutert. Bei diesem Ansatz werden die Schnitt- kräfte auf ein Äquivalent anderer Schnittkräfte umgerechnet, um eine Berechnung mit den gültigen Methoden aus der Norm zu ermöglichen.

Außerdem wird diese Berechnungsmethode mit der Standardsoftware Microsoft Office Excel nachprogrammiert um ein praktisches und zugleich günstiges Be- rechnungstool zu schaffen. Dieses Berechnungstool soll einfach in der Bedienung sein und schnelle Ergebnisse liefern können.

Zuletzt werden die Ergebnisse dieser Berechnungsmethode im speziellen durch

das Excel-Berechnungstool mit den Ergebnissen anderer Berechnungen vergli-

chen. Hierfür werden wieder die Typisierten Anschlüsse herangezogen. Weitere

Vergleiche werden mit dem Zusatzmodul STIRNPL von dem Programm RSTAB

der Firma Dlubal und dem Programm RFEM der gleichen Firma durchgeführt.

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Abstract

Creating of a method for the calculation of head-plate-joints with six internal forces without FEM-software

This thesis deals with head-plate-joints and their calculation possibilities. Head-plate- joints are common joining methods in steel construction for H or I profiles. These connec- tions consist of several individual components, the bolts, the welds and the head plate itself.

The usual calculation methods only apply in certain situations, namely only for loads with the internal forces normal forceN, shear forceVz and bending momentMy. If other loads occur, the standards do not provide any regulations for calculation. In spatial structural systems, it is often possible that all six cutting forces occur in the girders. For loads with the internal forces shear forceVy, torsional moment MT or bending momentMz, often only the finite element method (FEM) with suitable computer software is available for calculation.

In this master thesis the usual calculation models from Eurocode 3 are explained. In addi- tion, the tables of the Standardised Joints in Steel Structures to DIN EN 1993-1-8 (the so- called DSTV joints of the German Steel Construction Association) and their application are explained.

In this paper, a possible calculation approach for head panel joints with six cutting forces is explained. With this approach, the cutting forces are converted to one equivalent of other cutting forces to enable calculation with the valid methods from the standard.

Furthermore, this calculation method is reprogrammed with the standard software Mi- crosoft Office Excel to create a practical and at the same time inexpensive calculation tool. This calculation tool should be easy to use and provide fast results.

Finally, the results of this calculation method are compared with the results of other calcu- lations using the Excel calculation tool. The Standardised Joints are used again for this purpose. Further comparisons are made with the add-on module STIRNPL from the program RSTAB from Dlubal and the program RFEM from the same company.

(6)

Abkürzungsverzeichnis

a Hebelsarm der Schrauben

A Brutto-Querschnittsfläche einer Schraube (Schaft) af Dicke der Schweißnaht im Flanschbereich

Ar Argon

As Spannungsquerschnittsfläche einer Schraube aw Dicke der Schweißnaht im Stegbereich b Breite des Profils

bp Breite der Kopfplatte

Bp,Rd Bemessungswert des Durchstanzwiderstandes des Schraubenkopfes und der Schraubenmutter

CO2 Kohlenstoffdioxid

d Nenndurchmesser von Schrauben

d0 Lochdurchmesser von Schraubenlöchern DIBt Deutsches Institut für Bautechnik

dm Mittelwert aus Eckmaß und Schlüsselweite des Schraubenkopfes oder der Schraubenmutter

DSTV Deutscher Stahlbau-Verband

e Eckmaß einer Schraube

e Randabstand

e1 Randabstand des Schraubenloches in Kraftrichtung

e1,n Randabstand der Schrauben auf der bündigen Kopfplattenseite e2 Randabstand des Schraubenloches quer zur Kraftrichtung e3 Randabstand eines Langlochs zum parallelen Blechrand

e4 Randabstand eines Langlochs zum Blechrand in der Mittelachse des Lang- lochs

EC3 Eurocode 3

emin minimaler Randabstand ex Randabstand in x-Richtung

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EXC Ausführungsklasse (Execution class)

Fb,Rd Bemessungswert der Lochleibungstragfähigkeit einer Schraube

Fc,Ed,My Einwirkende Druckkraft zufolge Biegemoment um die y-Achse auf Bemes-

sungsniveau

Fc,Ed,Mz Einwirkende Druckkraft zufolge Biegemoment um die z-Achse auf Bemes-

sungsniveau

FE Finite-Elemente

FEM Finite-Elemente-Methode Fp,C Vorspannkraft einer Schraube

Fp,C* reduzierte Vorspannkraft einer Schraube Fp,Cd Bemessungswert der Vorspannkraft

Fs,Rd Bemessungswert des Gleitwiderstandes einer Schraube im Grenzzustand der Tragfähigkeit

Fs,Rd,ser Bemessungswert des Gleitwiderstandes einer Schraube im Grenzzustand

der Gebrauchstauglichkeit

Ft,Ed Bemessungswert der einwirkenden Zugkraft auf eine Schraube im Grenz- zustand der Tragfähigkeit

Ft,Ed,Flansch Bemessungswert der einwirkenden Zugkraft im Trägerflansch

FT,Ed,N Einwirkende Zugkraft zufolge Normalkraft auf Bemessungsniveau

FT,Ed,My Einwirkende Zugkraft zufolge Biegemoment um die y-Achse auf Bemes-

sungsniveau

FT,Ed,Mz Einwirkende Zugkraft zufolge Biegemoment um die z-Achse auf Bemes-

sungsniveau

Ft,Ed,ser Bemessungswert der einwirkenden Zugkraft auf eine Schraube im Grenz-

zustand der Gebrauchstauglichkeit

Ft,Rd Bemessungswert der Zugtragfähigkeit einer Schraube fu Nennwert der Zugfestigkeit des Grundmaterials fub Nennwert der Zugfestigkeit von Schrauben

Fv,Ed Bemessungswert der einwirkenden Abscherkraft auf eine Schraube im Grenzzustand der Tragfähigkeit

Fv,Ed,ser Bemessungswert der einwirkenden Abscherkraft auf eine Schraube im

Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit

Fv,Rd Bemessungswert der Abschertragfähigkeit einer Schraube

(8)

Fv,Rd,ser Bemessungswert der Abschertragfähigkeit einer Schraube im Grenzzu- stand der Gebrauchstauglichkeit

fvw,Rd Bemessungswert der Scherfestigkeit der Schweißnaht

Fw,Ed Bemessungswert der auf die wirksame Kehlnahtfläche einwirkenden Kräfte je Längeneinheit

Fw,Rd Bemessungswert der Tragfähigkeit der Schweißnaht je Längeneinheit fw,Rd Bemessungswiderstand der Schweißnaht

fy Nennwert der Streckgrenze von Stahl fyb Nennwert der Streckgrenze von Schrauben GV gleitfeste vorgespannte Verbindungen

GVP gleitfeste vorgespannte Passschraubenverbindungen hp Höhe der Kopfplatte

k1 Koeffizient für die Lochleibungstragfähigkeit einer Schraube k2 Koeffizient für die Zugtragfähigkeit einer Schraube

ks Koeffizient für den Gleitwiderstand bei gleitfesten Verbindungen leff effektive Länge eines äquivalenten T-Stummels

leff,1 effektive Länge eines äquivalenten T-Stummels im Versagensmodus 1

leff,2 effektive Länge eines äquivalenten T-Stummels im Versagensmodus 2

leff,cp effektive Länge eines äquivalenten T-Stummels bei kreisförmigem Fließ-

muster

leff,nc effektive Länge eines äquivalenten T-Stummels bei nicht kreisförmigem

Fließmuster

m geometrische Abmessung des äquivalenten T-Stummels m2 geometrische Abmessung des äquivalenten T-Stummels MA Anziehdrehmoment einer Schraube

MA,Kontroll* Kontrolldrehmoment einer Schraube beim modifizierten Drehmomenten- verfahren

MA,Soll* Planmäßiges Anziehdrehmoment einer Schraube bei reduzierter Vor-

spannkraft

MA1* Anziehdrehmoment einer Schraube im ersten Anziehschritt MAG Metall-Aktivgas-Schweißung (MAG-Schweißung)

MnS2 Mangandisulfid

(9)

Mpl,Rd Plastisches Biegemoment

Mpl,1,Rd Plastisches Biegemoment im Versagensmodus 1

Mpl,2,Rd Plastisches Biegemoment im Versagensmodus 2

MT Magnetpulver-Schweißnahtprüfung (magnetic test)

MT Torsionsmoment

My Biegemoment um die y-Achse

My,äquiv äquivalentes Biegemoment um die y-Achse

My,Rd aufnehmbares Biegemoment um die y-Achse auf Bemessungsniveau Mz Biegemoment um die z-Achse

N Normalkraft

n Anzahl der Gleitflächen

n geometrische Abmessung des äquivalenten T-Stummels

Nnet,Rd Bemessungswert der Normalkrafttragfähigkeit des Nettoquerschnitts des

Blechs

NRd aufnehmbare Normalkraft auf Bemessungsniveau O2 Sauerstoff (Dioxygenium)

p1 Lochabstand von Schrauben in Kraftrichtung p1,1 Schraubenabstand in der Kopfplatte

p1,2 Schraubenabstand in der Kopfplatte

p2 Lochabstand von Schrauben quer zur Kraftrichtung PT Farbeindring-Schweißnahtprüfung (penetration test) RT Durchstrahlungs-Schweißnahtprüfung (radiation test) s Schlüsselweite einer Schraube

SL Scher-Lochleibungsverbindungen

SLP Scher-Lochleibungs-Passschraubenverbindungen

t kleinste Blechdicke aller gleichsinnig beanspruchten Bleche tf Dicke des Stirnblechs

tp Blechdicke unter dem Schraubenkopf UP Unterpulver-Schweißung (UP-Schweißung)

UT Schweißnahtprüfung mit Ultraschall (ultrasonic test)

(10)

VBA Visual Basic for Applications

VT visuelle Schweißnahtprüfung (visual test) Vy Querkraft in y-Richtung

Vz Querkraft in z-Richtung

Vz,Rd aufnehmbare Querkraft in z-Richtung auf Bemessungsniveau w Abstand zwischen den Schrauben links und rechts vom Trägersteg WEZ Wärmeeinflusszone bei Schweißnähten

ZfP zerstörungsfreie Prüfung

Beiwert für ausgesteifte Stirnbleche

b Beiwert für die Lochleibungstragfähigkeit von Schrauben

v Beiwert für die Abschertragfähigkeit von Schrauben

p Beiwert für Verschraubungen mit Futterblechen

w Korreliationsbeiwert für Schweißnähte

F Lastsicherheitsbeiwert

M Materialsicherheitsbeiwert

M0 Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruchbarkeit von Querschnitten

M2 Teilsicherheitsbeiwert für Schrauben, Bolzen, Nieten, Schweißnähten und Blechen auf Lochleibung

M3 Teilsicherheitsbeiwert für die Gleitfestigkeit im Grenzzustand der Tragfä- higkeit

M3 Teilsicherheitsbeiwert für die Gleitfestigkeit im Grenzzustand der Ge- brauchstauglichkeit

M7 Teilsicherheitsbeiwert von hochfesten Schrauben

1 Beiwert zur Bestimmung von

2 Beiwert zur Bestimmung von

Beiwert für die Gleiteigenschaften der Gleitflächen Normalspannung senkrecht zur Schweißnahtachse

,Ed Einwirkende Bemessungsnormalspannung senkrecht zur Schweiß- nahtachse

w,Ed Einwirkende Bemessungsspannung der Schweißnaht Normalspannung parallel zur Schweißnahtachse

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Schubspannung (in der Ebene der Nahtfläche) senkrecht zur Schweiß- nahtachse

,Ed Einwirkende Bemessungsschubspannung (in der Ebene der Nahtfläche) senkrecht zur Schweißnahtachse

Schubspannung (in der Ebene der Nahtfläche) parallel zur Schweiß- nahtachse

,Ed Einwirkende Bemessungsschubspannung (in der Ebene der Nahtfläche) parallel zur Schweißnahtachse

(12)

Schlüsselbegriffe

Schlüsselworte Keywords

Finite-Elemente-Methode finite element method

Rechenverfahren calculation method

Schraubenanschluss bolt-joint

Stahlbau steel construction

Stirnplattenstoß head-plate-joint

(13)

Inhaltsverzeichnis

D

ANKSAGUNG

...

I

K

URZFASSUNG

...

II

Entwicklung einer Methode zur Berechnung von Kopfplattenstößen

mit sechs Schnittgrößen ohne FEM-Programmen ... ii

A

BSTRACT

...

III

Creating of a method for the calculation of head-plate-joints with six internal forces without FEM-software... iii

A

BKÜRZUNGSVERZEICHNIS

...

IV

S

CHLÜSSELBEGRIFFE

...

X

I

NHALTSVERZEICHNIS

...

XI

1. E

INLEITUNG

... 1

1.1. Gender Erklärung ... 1

1.2. Ziel dieser Arbeit ... 1

1.3. Nicht-Ziel dieser Arbeit ... 1

1.4. Erklärung zur Microsoft Office Excel Programmierung ... 1

2. V

ERWENDUNG VON

K

OPFPLATTENSTÖßEN IM

S

TAHLBAU

... 2

3. S

CHRAUBENVERBINDUNGEN

... 5

3.1. Entwicklung von Schraubenverbindungen ... 5

3.2. Schrauben ... 6

3.2.1. Bezeichnung und Festigkeitsklassen von Schrauben... 8

3.2.2. Konstruktionsregeln ... 9

3.2.3. Anziehen der Schrauben ... 10

(14)

3.2.4. Wirkungsprinzip vorgespannter Schrauben ... 17

3.2.5. Bemessung von Schraubenverbindungen... 18

4. S

CHWEIßNÄHTE

... 24

4.1. E-Handschweißung (E-Schweißung) ... 25

4.2. Metall-Aktivgasschweißung (MAG-Schweißung) ... 26

4.3. Unterpulverschweißung (UP-Schweißung) ... 26

4.4. Auswirkungen des Schweißens ... 27

4.5. Ausbildung von Schweißnähten ... 27

4.6. Fehler von Schweißnähten ... 28

4.7. Fehler im Einflussbereich von Schweißnähten ... 29

4.8. Überprüfung von Schweißnähten ... 29

4.8.1. Visuelle Prüfung... 30

4.8.2. Farbeindringverfahren... 30

4.8.3. Magnetpulverprüfung ... 30

4.8.4. Durchstrahlprüfung ... 30

4.8.5. Prüfung mit Ultraschall ... 31

4.9. Anforderungen an schweißtechnisches Personal ... 31

4.10. Planliche Darstellung von Schweißnähten ... 32

4.10.1. Auswahl an Plandarstellungen von Stumpfschweißnähten ... 32

4.10.2. Häufige Nahtformen für Eck- und T-Stöße ... 34

4.10.3. Beispiele für planliche Schweißnahtangaben ... 36

4.11. Nachweis von Schweißnähten ... 37

4.11.1. Richtungsbezogenes Verfahren ... 37

Gesamteinwirkung auf die Schweißnaht:... 38

Normalspannung senkrecht zur Schweißnahtachse: ... 38

4.11.2. Vereinfachtes Verfahren ... 39

(15)

5. B

ERECHNUNG VON

K

OPFPLATTENSTÖßEN NACH

EC3

UND DIE

G

RENZEN

DER

A

NWENDBARKEIT

... 40

5.1. Arten von Kopfplattenstößen ... 40

5.2. Tragfähigkeit eines Kopfplattenstoßes ... 40

5.2.1. Verteilung der Schnittkräfte ... 40

5.2.2. Äquivalenter T-Stummel mit Zugbeanspruchung ... 41

Modus 1: Vollständiges Fließen des Flansches ... 41

Modus 2: gleichzeitiges Schraubenversagen mit Fließen des Flansches ... 42

Modus 3: Schraubenversagen ... 42

6. S

TANDARDISIERTE

V

ERBINDUNGEN

(DSTV-A

NSCHLÜSSE

)... 48

7. B

ERECHNUNGSMETHODE FÜR

K

OPFPLATTENSTÖßE MIT SECHS

S

CHNITTGRÖßEN

... 52

7.1. Die sechs Schnittkräfte im räumlichen Tragwerkssystem ... 52

7.1.1. NormalkraftN ... 52

7.1.2. QuerkraftVy ... 53

7.1.3. QuerkraftVz ... 53

7.1.4. TorsionsmomentMT ... 53

7.1.5. BiegemomentMy ... 53

7.1.6. BiegemomentMz ... 54

7.2. Zugkraft im Trägerzugflansch ... 54

7.3. Einteilung der einzelnen T-Stummel ... 56

7.3.1. T-Stummel beim Anschlusstyp IH1 ... 57

7.4. Ermittlung der Zugkraft in den Schrauben... 60

(16)

7.5. Querbeanspruchung der Schrauben ... 62

7.6. Interaktion der Schraubenbeanspruchungen ... 63

7.7. Konstruktive Konsequenz aus diesem Rechenmodell ... 63

8. P

ROGRAMMIERUNG DES

R

ECHENALGORITHMUS MIT

M

ICROSOFT

O

FFICE

E

XCEL

... 65

8.1. Eingaben im Berechnungstools in Microsoft Office Excel ... 66

8.2. Berechnung des Kopfplattenstoßes in Microsoft Office Excel .. 71

8.3. Ausgabe der Ergebnisse ... 71

8.4. Zukünftige Weiterentwicklung des Berechnungstools ... 74

9. V

ERGLEICH DER

B

EDIENBARKEIT UND DER

E

RGEBNISSE

... 75

9.1. Vergleich mit den typisierten Anschlüssen ... 75

9.2. Vergleich mit dem RSTAB Modul STIRNPL ... 77

9.3. Vergleich mit Finite-Elemente-Methode ... 81

9.3.1. Grundlagen der Finite-Elemente-Methode ... 81

9.3.2. Vor- und Nachteile der Finite-Elemente-Methode ... 81

9.3.3. Vergleichsrechnung ... 82

10. S

CHLUSSFOLGERUNG

... 88

Q

UELLENVERZEICHNIS

... 89

A

BBILDUNGSVERZEICHNIS

... 90

T

ABELLENVERZEICHNIS

... 93

A

NHANG

... 94

(17)

1. Einleitung

1.1. Gender Erklärung

Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird in dieser Masterarbeit auf die gleichzeitige Verwendung männlicher und weiblicher Sprachformen verzichtet. Stattdessen wird die Sprachform des generischen Maskulinums bei personenbezogenen Pronomen und Sub- stantiven angewandt. Dies impliziert keine Benachteiligung des weiblichen Geschlechts, sondern soll im Sinne der sprachlichen Vereinfachung als geschlechtsneutral zu verste- hen sein.

1.2. Ziel dieser Arbeit

Für die Berechnung von Kopfplattenstößen mit sechs Schnittgrößen ist üblicherweise die Anwendung von FEM-Programmen nötig. In dieser Arbeit soll eine Methode geschaffen werden um eine Berechnung per Hand durchführen zu können. Außerdem soll ein Be- rechnungswerkzeug für Microsoft Office Excel programmiert werden, mit dem diese Be- rechnung möglich sein soll. Mit dieser Excel-Datei soll es also durchführbar sein, Nach- weise für die gewünschten Schrauben in der gewünschten Schraubengüte, die Schrau- bengeometrie, die Kopfplatte selbst mit der gewünschten Stahlgüte und die Schweißnäh- te zu führen.

1.3. Nicht-Ziel dieser Arbeit

In dieser Arbeit befinden sich viele Angaben zu den Normen und Berechnungsverfahren.

Diese Masterarbeit beinhaltet nur eine Auswahl an Auszügen und Berechnungsregeln aus den einschlägigen Normen. Daher soll diese Arbeit auf keinen Fall das Lesen der Norm und anderer Fachbücher ersetzen. Außerdem soll das in dieser Arbeit beschriebe- ne Rechenverfahren keine andere Rechenmethode ersetzen oder korrigieren.

1.4. Erklärung zur Microsoft Office Excel Programmierung

Im Anhang dieser Arbeit befindet sich eine CD-ROM mit einer Microsoft Office Excel Da- tei. Mit dieser Datei ist die Berechnung von Kopfplattenstößen möglich. Dieses Berech- nungstool ist im Rahmen dieser Masterarbeit entstanden. Die Verwendung dient rein wis- senschaftlichen Zwecken. Ein kommerzieller Einsatz ist untersagt. Die Rechte für die Vervielfältigung dieses Tools liegen ausschließlich beim Verfasser dieser Arbeit. Für die Richtigkeit der Ergebnisse wird keinerlei Haftung übernommen.

(18)

2. Verwendung von Kopfplattenstößen im Stahlbau

Der Kopfplattenstoß ist eine der wichtigsten Verbindungsarten im konstruktiven Stahlbau.

Genau betrachtet besteht der Kopfplattenstoß aus einer Kombination mehrerer Verbin- dungsmittel, nämlich aus Schrauben, Schweißnähten und dem Kopfplattenblech. Der Kopfplattenstoß ist eine beliebte Möglichkeit zwei Träger entlang ihrer Längsachse miteinander zu verbinden oder eine Rahmenecke oder einen T-Anschluss zu schaffen.

Kopfplattenstöße werden in erster Linie bei Bauwerken mit überwiegend ruhenden Bean- spruchungen angewandt. An der Stelle des Stoßes werden an die Trägerenden Kopfplat- ten aufgeschweißt. Am Stoß werden die Kopfplatten mit Schrauben verbunden.¹

Außerdem ist eine Anwendung bei dynamischen Beanspruchungen möglich. Hierfür sind jedoch nur vorgespannte Verschraubungen zulässig und ein Ermüdungsnachweis der Bauteile ist erforderlich.

Abb. 1: Auswahl von stahlbaumäßigen Kopfplattenverbindungen

1 Luza, Gerald; Palka, Michael; Schnaubelt Stefan: Stahlbau. Grundlagen, Konstruktion, Bemessung. 6., neu überarbeitete Auflage. Wien: Manz Verlag Schulbuch GmbH 2007. S.174.

(19)

Außerdem findet diese Art der Verbindung in einer geringfügig abgeänderten Form An- wendung als Stützenfuß oder sonstige Anbindungen an Massivbaukonstruktionen oder Holztragwerke.

Abb. 2: Beispiele für Kopfplattenanschlüsse an Massivbau bzw. Holzkonstruktionen

Eine weitere Sonderform des Kopfplattenstoßes im Stahlbau ist der thermisch getrennte Kopfplattenstoß. Bei dieser Verbindung wird zwischen den beiden Kopfplatten ein thermisch schlecht leitendes Material gelegt. Die Problematik bei dieser Form der Verbindung liegt in der geringen Druckfestigkeit dieser Materialien. Eine häufig angewandte Lösung ist die Beigabe von Druckblechen oder Druckhülsen aus Stahl. Hierbei wird eine Wärme- brücke mit möglichst kleinem Querschnitt akzeptiert. Der wesentliche Nachteil dieser Art der Ausführung ist aus statisch konstruktiver Sicht der geringere Hebelsarm für die Kräf- tepaare der Momente. Außerdem führen nicht angeschweißte Druckelemente zu einer zusätzlichen Zugkraft in den Schrauben.

Wenn von einem klassischen Kopfplattenstoß die Rede ist, so ist zumeist von der Ver- bindung von gewalzten I-Profilen die Rede. Laut Norm gelten die bekannten Rechenmo- delle nur für I- und H-Profile. Jedoch findet diese Form des Knotens in leicht adaptierter Form auch bei anderen Profiltypen Anwendung.

(20)

Abb. 3: Beispiele für Kopfplattenverbindungen bei C- und Hohlprofilen

(21)

3. Schraubenverbindungen

Schraubenverbindungen und Schweißnähte sind die gebräuchlichsten Verbindungen im heutigen Stahl- und Metallbau.

3.1. Entwicklung von Schraubenverbindungen

Schraubenverbindungen sind eine Weiterentwicklung von den frühzeitigen Nietenverbin- dungen. Von Beginn der Metallbauära an, bis etwa 1925 war die Nietung die wichtigste und fast ausschließliche Methode zur konstruktiven Verbindung von Stahlbauteilen und ist es bis etwa 1950 im Brückenbau für Stoßverbindungen geblieben. Bei heutigen Kon- struktionen wurden die Nietungen weitestgehend von Schrauben- und Schweißverbin- dungen ersetzt. Bei der Reparatur historischer genieteter Bauwerke wird in Sonderfällen heute noch die Nietung angewandt.

Niete sind Verbindungsmittel, die nicht mehr gelöst werden können. Die Nietlöcher werden in den zu verbindenden Teilen gemeinsam gebohrt oder einzeln mit einem kleineren Durchmesser vorgebohrt und auf das Sollmaß mit einer Reibahle gemeinsam aufgerie- ben. Der Rohniet besteht aus dem Schaft und dem meist halbrunden Setzkopf. Vor dem Schlagen werden die Niete im Nietfeuer auf helle Rotglut erwärmt und in das Nietloch eingeführt. Mit dem Gegenhalter wird der Setzkopf gehalten, der Schließkopf wird mit dem im Allgemeinen pneumatischen Niethammer, Döpper genannt, geschlagen. Bei den ersten Schlägen wird das Nietloch durch die Stauchung über die gesamte Länge ausge- füllt. Mit den weiteren Schlägen bildet sich der Schließkopf. Während des gesamten Niet- vorgangs muss der Niet rotglühend bleiben. Durch den Nietschrumpf, der beim Abkühlen entsteht, erzeugt sich eine Klemmkraft.

Der Rohniet besteht aus einem weicheren Werkstoff als jener, der zu verbindenden Teile.

Beim Nietvorgang entsteht eine Verfestigung des Niets, sodass die Festigkeit des ge- schlagenen Nietes etwa der Festigkeit der zu verbindenden Teile entspricht.

Abb. 4: Nietverbindung

(22)

Niete wirken als Scher-Lochleibungs-Passverbindungen mit sehr geringer Zugtragfähig- keit.²

3.2. Schrauben

Schrauben sind Verbindungsmittel, die Kräfte sowohl in als auch quer zur Schraubenach- se übertragen kann und wieder gelöst werden können.

Schrauben werden nach den unterschiedlichen Beanspruchungen und dem Tragverhal- ten der Verschraubung bei Scher- bzw. Zugbeanspruchungen unterschieden:

Kategorie A: Schrauben als Scherlochleibungsverbindungen (SL-Verbindungen).

Kategorie B und C: Schrauben mit planmäßiger Vorspannung der Schraubenbol- zen beim Einsatz für gleitfest, vorgespannte Reibungsverbindungen (GV- Verbindungen).

Verschraubungen der Kategorie B sind gleitfest im Grenzzustand der Ge- brauchstauglichkeit, Verschraubungen der Kategorie C im Grenzzustand der Tragfähigkeit.

Kategorie D: Nicht planmäßig vorgespannte Verschraubungen mit Zugbelastung.

Kategorie E: Verschraubungen mit planmäßiger Vorspannung unter Zugbean- spruchung.³

SL-Verbindungen sind nicht für dynamisch beanspruchte Bauwerke geeignet und dürfen für Bauteile, bei denen die Nachgiebigkeit der Verbindung zu einer Änderung im Tragver- halten führt nicht angewendet werden.

2 Luza, Gerald; Palka, Michael; Schnaubelt Stefan: Stahlbau. Grundlagen, Konstruktion, Bemessung. 6., neu überarbeitete Auflage. Wien: Manz Verlag Schulbuch GmbH 2007. S.56-57.

3 ÖNORM EN 1993. Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen. 01.03.2012. Hrsg.: Austrian Standards Institute (ASI).

(23)

Abb. 5: Prinzip Schraubenverbindungen

In seltenen Fällen werden im Stahlbau Passschrauben mit gedrehtem Schaft und einem Lochspiel von höchstens 0,3 mm eingesetzt. Diese Verschraubungen werden Scher- Lochleibungs-Passschraubenverbindungen (SLP) oder gleitfeste, vorgespannte Rei- bungsverbindungen mit Passschrauben (GVP) genannt.

Bei Lochleibungsverbindungen (SL und SLP) wird die Kraft in Querrichtung zur Schrau- benachse über den Anpressdruck von der Schraube an die Lochleibung über Kontakt übertragen. Bei diesen Verbindungen tritt Versagen durch

Abscheren des Schraubenbolzens,

Aufreißen des Loches vor und/oder neben der Schraube,

Verquetschen der Lochränder in einem solchen Ausmaß, dass durch das Nach- geben der Verbindung die Wirkungsweise und Form der Konstruktion Schaden leidet.

Bei Verbindungen mit Vorspannung (GV und GVP) wird durch das Anziehen der Schrau- ben eine Pressung in den meist besonders bearbeiteten Berührungsflächen erzeugt.

Kräfte, die quer zur Schraubenachse auftreten, werden über Reibung in den Berührungs- flächen übertragen. Für das Vorspannen dürfen nur hochfeste, vorspannbare Schrauben (HV- oder HR-Schrauben) eingesetzt werden.

Für die Tragkraft der Verbindung ist die Gleitkraft, die notwendig ist um die Reibungskraft zu überwinden, maßgebend. Wird diese Kraft überschritten, tritt Gleiten ein und es ergibt sich eine zusätzliche Tragwirkung durch die Beanspruchung der Lochleibung. Eine Zug-

(24)

kraft in der Schraube durch äußere Einwirkung vermindert die Pressung in der Reibungs- fläche und reduziert somit die übertragbare Kraft quer zur Schraubenachse.

Die Übertragung von Zugkräften erfolgt unabhängig von der Wirkungsweise der Quer- kraftübertragung über Mutter, Gewinde, Bolzen und Kopf.⁴

3.2.1. Bezeichnung und Festigkeitsklassen von Schrauben

Im Stahlbau werden bevorzugt Schrauben mit Sechskantkopf und Sechskantmuttern verwendet. In seltenen Fällen werden Schrauben mit Zylinderkopf oder mit Senkkopf eingesetzt.

Diese Schrauben verfügen über ein genormtes Gewinde, durch welches die Schrauben fixiert und die Zugkräfte in der Schraubenlängsachse übertragen werden.

Abb. 6: Gängige Schraubentypen

In erster Linie werden Schrauben nach ihrer Festigkeit unterschieden. Im Stahlbau sind vor allem die Festigkeitsklassen 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8 und 10.9 gebräuchlich. In be- sonderen Fällen kommen nichtrostende Schrauben mit den Festigkeitsklassen 50, 70 und 80 zum Einsatz.

4 Luza, Gerald; Palka, Michael; Schnaubelt Stefan: Stahlbau. Grundlagen, Konstruktion, Bemessung. 6., neu überarbeitete Auflage. Wien: Manz Verlag Schulbuch GmbH 2007. S.53-54.

(25)

Stahlschrauben Schrauben aus nichtrostendem Stahl

Klasse 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9 50 70 80

fyb

[N/mm²] 240 320 300 400 480 640 900 210 450 600

fub

[N/mm²] 400 400 500 500 600 800 1000 500 700 800

Tab. 1: Nennwerte der Streckgrenzefyb und der Zugfestigkeitfub der Schrauben

Für vorgespannte Verbindungen sind nur die Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 geeignet.

Nichtrostende Schrauben sollten im Allgemeinen nicht vorgespannt werden.^{5 6} 3.2.2. Konstruktionsregeln

Wenn es sich nicht um eine Passschraubenverbindung handelt muss das Nennlochspiel wie folgt gewählt werden. Das Nennlochspiel definiert sich als:

das Maß zwischen Bohrlochdurchmesser und Schraubennenndurchmesser bei runden Schraubenlöchern;

das Maß zwischen der Länge oder der Breite eines Lochs und dem Schrauben- nenndurchmesser bei Langlöchern.

Nenndurchmesserd der

Schraube [mm] M12 M14 bis M22 M24

M27 und größer

Normale runde Löcher 1 2 3

Übergroße runde Löcher 3 4 6 8

Kurze Langlöcher (in der Länge) 4 6 8 10

Lange Langlöcher (in der Länge) 1,5d

Tab. 2: Nennlochspiel bei Schrauben

6 ÖNORM EN 1993. Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 1-4: Allgemeine Bemes- sungsregeln – Ergänzende Regeln zur Anwendung von nichtrostenden Stählen. 01.04.2007. Hrsg.: Austrian Standards Institute (ASI).

(26)

Bei Passschrauben ist der Nennlochdurchmesser gleich dem Nenndurchmesser der Schraube.⁷

Für Schrauben sind bestimmte Mindestabstände zum Rand und zwischen den Schrau- ben geregelt.

Rand- und Lochabstände

Randabstand e1 &e2

Randabstand e3 &e4 bei Langlöchern

Lochabstandp1 Lochabstandp2

Minimum 1,2d0 1,5d0 2,2d0 2,4d0

Tab. 3: Grenzwerte für Rand- und Lochabstände bei Schrauben

Abb. 7: Loch- und Randabstände bei Schrauben

In dieser Tabelle bzw. Abbildung entspricht d0 dem Lochdurchmesser. In der Norm sind auch Werte für Maximalabstände geregelt, um den notwendigen Korrosionsschutz gegen das Klaffen von Fugen gewährleisten zu können. Diese Maximalabstände sind bei Kopf- plattenstößen jedoch zumeist nicht maßgebend.⁸

3.2.3. Anziehen der Schrauben

Die Schrauben werden unter Gegenhalten des Kopfes und Drehen der Schraubenmutter (bei manchen Anwendungen auch umgekehrt) mit Schraubenschlüsseln oder Umschalt- knarren (sogenannten „Ratschen“) oder elektrisch oder pneumatisch betriebenen Dreh- oder Schlagschraubern angezogen. Bei SL- und SLP-Verbindungen werden die Schrau- ben handfest angezogen, so dass die Bauteile satt aufeinanderliegen. Schrauben in GV-

7 ÖNORM EN 1090. Ausführung von Stahltragwerken und Aluminiumtragwerken - Teil 2: Technische Regeln für die Ausführung von Stahltragwerken. 01.01.2012. Hrsg.: Austrian Standards Institute (ASI).

(27)

und GVP- Verbindungen müssen mit der notwendigen Vorspannkraft nach angezogen werden.⁹

Planmäßig voll vorgespannte Schraubenverbindungen:

Die Schrauben werden mit der festgelegten Mindestvorspannkraft vorgespannt.

Scherverbindungen der Kategorie B und C Zugverbindungen der Kategorie E

Planmäßig reduziert vorgespannte Schraubenverbindungen:

Die Schraubengarnituren werden geringer als die festgelegte Mindestvorspannkraft vorgespannt.

Scherverbindungen der Kategorie A: Die Vorspannung wird nicht für den Gleitwi- derstand eingesetzt, sondern aus Gründern der Ausführung oder als Maßnahme zur Qualitätssicherung (z.B. für die Dauerhaftigkeit).

Zugverbindungen der Kategorie D: Die Vorspannung wird aus Gründern der Aus- führung oder als Maßnahme zur Qualitätssicherung (z.B. für die Dauerhaftigkeit) durchgeführt.

Anziehen von planmäßig voll vorgespannten Schraubenverbindungen durch das Drehmomentverfahren

Die Vorspannkraft der Schrauben ist direkt proportional dem Anziehdrehmoment. Diese Drehmomente sind je nach Schraubendurchmesser und der geforderten Vorspannkraft aus entsprechenden Tabellen zu entnehmen. Beim Anziehen ist ein geeichter Drehmo- mentenschlüssel zu verwenden, der beim Erreichen des eingestellten Drehmomentes ein Signal abgibt oder ausklinkt.

Vorspannkraft:

, = 0,7 (3.1)

Die Schrauben werden auf eine Vorspannkraft angezogen, die ca. 80 bis 100% der Streckgrenze entspricht.

(28)

Die Schraubengarnituren müssen der k-Klasse K2 entsprechen. Außerdem gilt für die Schraubengarnituren:

von einem einzigen Hersteller,

die Elemente jeder Garnitur müssen in einem Paket zusammengepackt werden, Kennzeichnung der Garnitur mit Los-Nummer und Hersteller,

Prüfung jedes Garnituren-Los durch den Hersteller auf Eignung und

Angabe des ermittelten Variationskoeffizienten undkm-Werts auf der Verpackung.

Der Anziehvorgang erfolgt in zwei Schritten, bei denen zuerst alle Schrauben auf ca. 75%

des Anziehmoments angezogen werden und schließlich im zweiten Schritt auf 110%

nachgedreht werden.

Um einem Verlust der Vorspannung durch Relaxieren oder Kriechen vorzubeugen werden die Schrauben nach einigen Tagen erneut angezogen.

Dieses Anziehverfahren ist in Deutschland und Österreich nicht zulässig und wurde durch das Drehmomentenverfahren mit reduzierter Vorspannkraft ersetzt.

Anziehen von planmäßig voll vorgespannten Schraubenverbindungen durch das kombinierte Vorspannverfahren

Vorspannkraft:

, = 0,7 (3.2)

Die Schrauben werden auf eine Vorspannkraft angezogen, die ca. 100 bis 130% der Streckgrenze entspricht.

Die Schraubengarnituren müssen der k-Klasse K1 oderK2 entsprechen. Außerdem gilt für die Schraubengarnituren:

von einem einzigen Hersteller,

die Elemente jeder Garnitur müssen in einem Paket zusammengepackt werden, Kennzeichnung der Garnitur mit Los-Nummer und Hersteller,

Prüfung jedes Garnituren-Los durch den Hersteller auf Eignung und Angabe des k-Wertbereichs auf der Verpackung (z.B. 0,10 k 0,16).

Der Anziehvorgang erfolgt wie beim Drehmomentverfahren in zwei Schritten, bei denen zuerst alle Schrauben auf ca. 75% des Anziehmoments angezogen werden. Anschlie-

(29)

ßend folgt ein Zwischenschritt, bei dem die Lage der Mutter relativ zum Schraubengewin- de markiert wird. Schließlich wird im zweiten Schritt in Abhängigkeit des Schrauben- durchmessers und der Klemmlänge der gedrehte Teil der Garnitur um einen festgelegten Weiterdrehwinkel (60°, 90° oder 120°) weitergedreht.

Maßnahmen, um einem Verlust der Vorspannung durch Relaxieren oder Kriechen vorzubeugen sind in der Regel nicht notwendig, da die Regelvorspannkraft deutlich überschrit- ten wird. Eventuelle Vorspannungsverluste von bis zu 30% werden ausgeglichen.

Modifiziertes Drehmomentverfahren zur Vorspannung hochfester Schrauben mit reduzierter Vorspannkraft

Dieses Verfahren gilt für zugbeanspruchte Schraubenverbindungen mit planmäßig reduzierter Vorspannkraft Fp,c* (Schraubenkategorie E). Weiters gilt sie auch für vorgespannte Schraubenverbindungen der Kategorie A und D, bei denen die Vorspannung nur einer qualitativen Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit dient. Dieses Verfahren ist nur für Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 undk-KlasseK1 zulässig.

Als Grundlage für die Ausführung von Schraubanschlüssen sind Informationen aus der Ausführungsplanung und der statischen Berechnung erforderlich. Insbesondere ist wichtig, ob die volle Vorspannkraft Fp,c oder die reduzierte Vorspannkraft Fp,c* angesetzt wurde, ob ein Abscheren der Schrauben im Schaft oder im Gewinde vorausgesetzt wurde und ob bei der Berechnung der Kopfplatten Abstützkräfte berücksichtigt wurden.

Für die Schrauben ist ein Kontroll- und Prüfplan erforderlich, in dem festgelegt wird, in welchem Ausmaß geprüft wird und ob über die Norm hinausgehende Kontrollprüfungen durchgeführt werden sollen. Außerdem muss der Umfang der Dokumentation festgelegt werden.

Vor der Montage müssen die Kontaktflächen hinsichtlich Sauberkeit der Reibflächen bzw.

Unversehrtheit der Beschichtung kontrolliert werden und ggf. gesäubert oder übermäßig dicke Anstriche sachgemäß entfernt werden.

Die Schrauben müssen ohne Veränderung der Schmierung im Anlieferungszustand eingesetzt werden. Eine Änderung der Schmierung aufgrund äußerer Einwirkungen ist zu verhindern.

Die Einbauposition der Schrauben ist so zu wählen, dass das Anziehen an der Mutter möglich ist. Die Schrauben sind sorgfältig in die Schraubenlöcher einzustecken. Ein ge- waltsames Einführen oder ein Einschlagen ist in jedem Fall untersagt. Die Muttern müs- sen so eingebaut werden, dass das Herstellerkennzeichen sichtbar und prüfbar bleibt.

(30)

Die Bauteile, welche verbunden werden sollen sind anzupassen und die Schrauben handfest anzuziehen. Die gestoßenen Bleche sollen bei Scherverbindungen einen Di- ckenunterschied von 1 mm nicht überschreiten. Entstandene Spalten an den Rändern von Kopfplatten dürfen bei gleichzeitig gutem Aufliegen im Mittenbereich der Kontaktflä- chen maximal 2mm betragen. Dies gilt nur, wenn bei der Berechnung kein planmäßiger Kontakt vorausgesetzt wurde. Bei rechnerisch angesetzter Kontaktwirkung ist ein voll- ständiges Anliegen an den Rändern notwendig. Gegebenenfalls sind Korrekturmaßnah- men an den jeweiligen Stahlbauteilen vorzusehen.

Das Anziehen der Schrauben einer Verbindung hat schrittweise zu erfolgen, von steiferen Teilen hin zu weicheren, also üblicherweise von innen nach außen.

Die Schrauben sind mit kalibrierten Drehschraubern mit einer Genauigkeit von +/- 4%

anzuziehen. Alternativ kann ein handbetriebenes Gerät verwendet werden.

Das Anziehen erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Anziehschritt werden die Schrauben mit einem Voranziehmoment angezogen, das 75% des Soll-Anziehmoments beträgt. Dabei soll ein großflächiger Kontakt der Verbindung erzielt werden. Wurde der erste Anzieh- schritt bei allen Schrauben einer Verbindung durchgeführt, kann mit dem zweiten Anzieh- schritt fortgefahren werden. Im zweiten Schritt wird schließlich auf 100% des Soll-Anziehmoments angezogen. Nach Ablauf einer Frist von zumindest 12 Stunden ist eine Kontrolle des Anziehmomentes durchzuführen.

Bei der Kontrolle der Schraubengarnitur wird der Weiterdrehwinkel beim Aufbringen eines Kontroll-Anziehmomentes gemessen. Das Kontroll-Anziehmoment beträgt 110% des Soll-Anziehmoments. Beträgt dieser Winkel weniger als 30°, ist diese Schraube ausreichend vorgespannt und gilt als fehlerfrei. Beträgt der Weiterdrehwinkel zwischen 30° und 60° wird die Schraube als bedingt ausreichend vorgespant betrachtet und kann belassen bleiben. Die Stichprobenprüfung gilt als fehlerhaft und der Stichprobenumfang wird aus- gedehnt. Liegt der Weiterdrehwinkel über 60° gilt die Schraube als nicht ausreichend vorgespannt und muss ausgetauscht werden.¹⁰

10 EN1090-2 Erläuterungen und Kommentare mit Beispielen. Hrsg. von Österreichischer Stahlbauverband.

1. Ausgabe 2014

(31)

Garnituren 10.9

M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36

Fp,c* 50 kN 100 kN 160 kN 220 kN 290 kN 350 kN 510 kN

MA,Soll* 100 Nm 250 Nm 450 Nm 800 Nm 1250 Nm 1650 Nm 2800 Nm

MA1* 75 Nm 190 Nm 340 Nm 600 Nm 940 Nm 1250 Nm 2100 Nm

MA,Kontroll* 110 Nm 270 Nm 500 Nm 880 Nm 1380 Nm 1800 Nm 3080 Nm

Garnituren 8.8

M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36

Fp,c* 35 kN 70 kN 110 kN 150 kN 200 kN 245 kN 355 kN

MA,Soll* 70 Nm 170 Nm 300 Nm 600 Nm 900 Nm 1200 Nm 2100 Nm

MA1* 53 Nm 130 Nm 225 Nm 450 Nm 675 Nm 900 Nm 1550 Nm

MA,Kontroll* 75 Nm 185 Nm 330 Nm 660 Nm 990 Nm 1300 Nm 2300 Nm

Tab. 4: reduzierte Vorspannkraft und Anziehdrehmomente (modifiziertes Drehmomentenverfahren)

Vorspannung hochfester Schrauben für volle Vorspannkraft mit dem kombinierten Vorspannverfahren

Dieses Vorspannverfahren gilt nur für hochfeste Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 mit der k-KlasseK1 und für Verbindungen der Kategorie B, C und E, bei denen planmä- ßig die volle Vorspannkraft aufgebracht wird.

Als Grundlage für die Ausführung sind wie beim modifizierten Drehmomentenverfahren Informationen aus der Ausführungsplanung und der statischen Berechnung erforderlich.

Insbesondere ist wichtig, wie hoch die Vorspannkraft Fp,c angesetzt wurde, ob ein Ab- scheren der Schrauben im Schaft oder im Gewinde vorausgesetzt wurde und ob bei der Berechnung der Kopfplatten Abstützkräfte berücksichtigt wurden.

Für die Schrauben ist ein Kontroll- und Prüfplan erforderlich, in dem festgelegt wird, in welchem Ausmaß geprüft wird und ob über die Norm hinausgehende Kontrollprüfungen durchgeführt werden sollen. In diesem Kontroll- und Prüfplan müssen auch die Möglich- keiten für etwaige Korrekturmaßnahmen vollständig festgelegt werden. Außerdem muss der Umfang der Dokumentation festgelegt werden.

Vor der Montage müssen die Kontaktflächen hinsichtlich Sauberkeit der Reibflächen bzw.

Unversehrtheit der Beschichtung kontrolliert werden und ggf. gesäubert oder übermäßig dicke Anstriche sachgemäß entfernt werden.

(32)

Die Schrauben müssen ohne Veränderung der Schmierung im Anlieferungszustand eingesetzt werden. Eine Änderung der Schmierung aufgrund äußerer Einwirkungen ist zu verhindern. Bereits verwendete Schraubengarnituren, die bis zur Mindestvorspannkraft angezogen wurden dürfen nicht wiedereingesetzt werden.

Die Einbauposition der Schrauben ist so zu wählen, dass das Anziehen an der Mutter möglich ist. Die Schrauben sind sorgfältig in die Schraubenlöcher einzustecken. Ein ge- waltsames Einführen oder ein Einschlagen ist in jedem Fall untersagt. Die Muttern müs- sen so eingebaut werden, dass das Herstellerkennzeichen sichtbar und prüfbar bleibt.

Die Bauteile, welche verbunden werden sollen sind anzupassen und die Schrauben handfest anzuziehen. Die gestoßenen Bleche sollen bei Scherverbindungen einen Di- ckenunterschied von 1 mm nicht überschreiten. Entstandene Spalten an den Rändern von Kopfplatten dürfen bei gleichzeitig gutem Aufliegen im Mittenbereich der Kontaktflä- chen maximal 2mm betragen. Dies gilt nur, wenn bei der Berechnung kein planmäßiger Kontakt vorausgesetzt wurde. Bei rechnerisch angesetzter Kontaktwirkung ist ein voll- ständiges Anliegen an den Rändern notwendig. Gegebenenfalls sind Korrekturmaßnah- men an den jeweiligen Stahlbauteilen vorzusehen.

Das Anziehen der Schrauben einer Verbindung hat schrittweise zu erfolgen, von steiferen Teilen hin zu weicheren, also üblicherweise von innen nach außen.

Die Schrauben sind mit kalibrierten Drehschraubern mit einer Genauigkeit von +/- 10%

anzuziehen. Alternativ kann ein handbetriebenes Gerät verwendet werden.

Das Anziehen erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Anziehschritt werden die Schrauben mit einem Voranziehmoment angezogen, das 75% des Referenzdrehmomentes beträgt. Da- bei soll die Verbindung zusammengezogen werden. Wurde der erste Anziehschritt bei allen Schrauben einer Verbindung durchgeführt und überprüft, kann mit dem zweiten An- ziehschritt fortgefahren werden. Im zweiten Schritt wird die Position der Schraube und Mutter gekennzeichnet und in Abhängigkeit von der Klemmdicke um einen festgelegten Weiterdrehwinkel von 60°, 90° oder 120° nachgedreht. Nach Abschluss des zweiten An- ziehschritts bei allen Schrauben einer Verbindung wird der Weiterdrehwinkel stichpro- benartig kontrolliert.¹¹

11 EN1090-2 Erläuterungen und Kommentare mit Beispielen. Hrsg. von Österreichischer Stahlbauverband.

1. Ausgabe 2014

(33)

1. Anziehschritt:

10.9 M12 M16 M20 M24 M27 M30 M36

Fp,c 59 kN 110 kN 172 kN 247 kN 321 kN 393 kN 572 kN MA 70 Nm 170 Nm 340 Nm 580 Nm 850 Nm 1150 Nm 2010 Nm

Tab. 5: Vorspannkräfte und Voranziehmomente im ersten Anziehschritt (Kombiniertes Vorspannverfahren)

2. Anziehschritt Gesamtnenndicke t der zu

verbindenden Teile (ein- schließlich aller Futterble-

che und Scheiben)

Im zweiten Anziehschritt aufzubrin- gender Weiterdrehwinkel

Grad Drehung

t<2d 60 1/6

2d t<6d 90 1/4

6d t 10d 120 1/3

Tab. 6: Weiterdrehwinkel der Schrauben im zweiten Anziehschritt (Kombiniertes Vorspannverfahren)

Drehwinkelverfahren

Die Schrauben werden wie bei SL-Verbindungen so weit angezogen, bis die zu verbindenden Teile satt anliegen. Durch weiteres Festziehen der Schraube um einen festgelegten Winkel (üblicherweise 180°) wird die Vorspannkraft aufgebracht. Nach festziehen aller Schrauben des Stoßes sind fünf Prozent der Schrauben zu überprüfen, werden bei dieser Überprüfung Mängel festgestellt sind alle Schrauben zu prüfen.

Bei vorgespannten Schrauben kann eine Sicherung entfallen. SL- bzw. SLP- Verbindungen, die Erschütterungen ausgesetzt sind, sind mit Sicherungsmuttern oder anderen Maßnahmen zu sichern.

3.2.4. Wirkungsprinzip vorgespannter Schrauben

Obwohl Schrauben bis zu einer Zugauslastung von bis zu fast 100% angezogen werden können ist es trotzdem möglich zusätzliche Zugkräfte in der Verbindung aufzunehmen.

Dies ist aufgrund der Federwirkung der Schraube und der Kopfplatte möglich. Die Vor- spannung erzeugt in der Schraube eine Dehnung, wodurch in der Kopfplatte eine Stau- chung hervorgerufen wird. Durch eine externe Zugkraft wird dieses Federsystem entlastet und der Druck in den Kopfplattenfedern nimmt ab. Dadurch bleibt die Zugkraft in der vorgespannten Schraube gleich groß.

(34)

Bei gleichzeitiger Wirkung von Abscherkräften und Zugbeanspruchung wird dies durch die Interaktionsbedingungen berücksichtigt.

3.2.5. Bemessung von Schraubenverbindungen

Der Nenndurchmesser der Schrauben muss bei Stahlbauverbindungen mindestens M12 sein. Bei Schraubenverbindungen ist in vielen Fällen der SpannungsquerschnittAs für die Bemessung entscheidend. Die Fläche dieses Querschnitts wurde in der Norm wie folgt festgelegt:

Schraubed M 12 M 14 M 16 M 18 M 20 M 22

Nennspannungs-

querschnittAs 84,3 mm² 115 mm² 157 mm² 192 mm² 245 mm² 303 mm²

Nennspannungs-

querschnittAs 353 mm² 459 mm² 561 mm² 694 mm² 817 mm² 976 mm²

Tab. 7: Nennspannungsquerschnitte der Schrauben¹²

Bei Verschraubungen mit Vorspannung beträgt die anzusetzende Schraubenkraft in der Regel:

, = 0,7 / (3.3)

Beim Einsatz von Futterblechen mit einer Dicke tp größer als ein Drittel des Durchmes- sers d der Schraube ist die Schertragfähigkeit bei der Übertragung von Scher- und Loch- leibungskräften mit dem Beiwert p abzumindern.

= 1 (3.4)

12 DIN EN ISO 898. Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl und legier- tem Stahl – Teil 1: Schrauben mit festgelegten Festigkeitsklassen – Regelgewinde und Feingewinde.

08.2009. Hrsg.: DIN Deutsches Institut für Normung e. V.

(35)

3.2.5.1. Beanspruchbarkeit einzelner Schrauben mit Zug- und/oder Scherbean- spruchung

Abscheren je Scherfuge:

, = (3.5)

Liegt das Gewinde der Schraube in der Scherfuge, ist für den QuerschnittA der Nenn- spannungsquerschnittAs einzusetzen. Außerdem ist der Beiwert v in Abhängigkeit der Schraubenfestigkeit zu wählen. Bei Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6, 5.6 und 8.8 ist

v mit 0,6 zu wählen. Für die Festigkeitsklassen 4.8, 5.8, 6.8, 10.9 und alle Schrauben aus nichtrostendem Stahl beträgt der Beiwert v=0,5.

Liegt der Schaft der Schraube in der Scherfuge, entspricht der QuerschnittA der Schaft- querschnittsfläche und der Beiwert v beträgt 0,6.

Lochleibung:

, = (3.6)

= 2,8 1,7 2,5

1,4 1,7 2,5 (3.7)

= 1,0

1,0 (3.8)

Zug:

, = (3.9)

Der Koeffizient k2 ist in Abhängigkeit von der Kopfform zu wählen. Für Schrauben mit Senkkopf istk2=0,65, in allen anderen Fällen istk2=0,9.

(36)

Durchstanzen:

= (3.10)

Bei dieser Formel entspricht der Wert dm dem rechnerischen Durchmesser des Schrau- benkopfes für Durchstanzen und errechnet sich als der Mittelwert aus dem Eckmaß einer Schraubee und der Schlüsselweites.

Abb. 8: Schraubenkopf: Eckmaß und Schlüsselweite

Wegertseder GmbH. Schraubenlexikon. In: URL:https://www.schrauben-lexikon.de/norm/DIN_555.asp (letzter Zugriff: 27.06.2018)

Schlüsselweites 19 mm 22 mm 24 mm 27 mm 30 mm 32 mm

Eckmaße 20,88 mm 23,91 mm 26,17 mm 29,56 mm 32,95 mm 35,03 mm

Schlüsselweites 36 mm 41 mm 46 mm 50 mm 55 mm 60 mm

Eckmaße 39,55 mm 45,20 mm 50,85 mm 55,37 mm 60,79 mm 66,44 mm

Tab. 8: Schlüsselweite und Eckmaß der Schrauben¹³

13 DIN 934. Sechskantmuttern; Metrisches Regel- und Feingewinde; Produktklassen A und B. 04.2013. Hrsg.:

DIN Deutsches Institut für Normung e. V.

(37)

Nachweise der Schrauben:

, , (3.11)

, , (3.12)

, , , , (3.13)

, , (3.14)

, , (3.15)

, , (3.16)

Kombination von Zugbeanspruchung und Scher-/Lochleibung:

= ^,

, + _, ^,

, 1 (3.17)

3.2.5.2. Gleitfeste Verbindungen mit hochfesten Schrauben

Für gleitfeste Verbindungen sind nur hochfeste Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 zulässig. Der Einsatz von Schrauben aus nichtrostendem Stahl ist jeweils durch Eignungsprüfungen nachzuweisen.

Der Bemessungswert des Gleitwiderstandes für vorgespannte Schrauben wird in der Re- gel wie folgt ermittelt:

, = _, (3.18)

, , =

, , (3.19)

(38)

Bei dieser Berechnung entspricht der Wert für n der Anzahl der Gleitflächen, der Koeffi- zientks und die Reibungszahl dem Zahlenwert aus den folgenden Tabellen:

ks

Schrauben in Löchern mit normalem Lochspiel 1,0

Schrauben in übergroßen Löchern oder in kurzen Langlöchern, deren Längsach-

se quer zur Kraftrichtung liegt 0,85

Schrauben in großen Langlöchern, deren Längsachse quer zur Kraftrichtung liegt 0,7 Schrauben in kurzen Langlöchern, deren Längsachse quer zur Kraftrichtung liegt 0,76 Schrauben in großen Langlöchern, deren Längsachse parallel zur Kraftrichtung

liegt 0,63

Tab. 9: Zahlenwerte für den Koeffizientenks

Oberflächenbehandlung Gleitflächen- klasse

Haftreibungs- zahl Oberflächen mit Kugeln oder Sand gestrahlt, loser Rost

entfernt, keine Rostmarken A 0,5

Oberfläche mit Kugeln oder Sand gestrahlt:

a) spritzaluminiert oder mit einem zinkbasierten Produkt spritzverzinkt

b) mit Alkali-Zink-Silikat-Anstrich mit einer Dicke von 50 m bis 80 m

B 0,4

Oberflächen mittels Drahtbürsten oder Flammstrahlen ge-

reinigt, loser Rost entfernt C 0,3

Oberfläche im Walzzustand D 0,2

Tab. 10: Reibungszahl für vorgespannte Schrauben¹⁴

Kombination von Zug- und Scherbeanspruchung:

Wenn eine gleitfeste Schraubenverbindung neben der einwirkenden Abscherkraft Fv,Ed

bzw. Fv,Ed,ser durch eine Zugkraft Ft,Ed bzw. Ft,Ed,ser beansprucht wird, wird der Gleitwider- stand je Schraube folgendermaßen ermittelt:

bei Kategorie B Verbindungen (gleitfest im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit):

, , = ⁽ ^, ^, ^, ^, ⁾

, (3.20)

14 ÖNORM EN 1090. Ausführung von Stahltragwerken und Aluminiumtragwerken Teil 2: Technische Regeln für die Ausführung von Stahltragwerken. 01.01.2012. Hrsg.: Austrian Standards Institute (ASI).

(39)

bei Kategorie C Verbindungen (gleitfest im Grenzzustand der Tragfähigkeit):

, = ⁽ ^, ^, ^, ⁾ (3.21)

Stehen die externen Zugkräfte in den Schrauben und die über Kontakt übertragenen Druckkräfte aus einer Biegebeanspruchung im Gleichgewicht, ist keine Abminderung des Gleitwiderstandes erforderlich.¹⁵

(40)

4. Schweißnähte

Schweißen ist im heutigen Stahlbau eine der wichtigsten Verbindungstechniken. Beim Schweißen werden Werkstoffe mit (nahezu) gleicher Schmelztemperatur unter Einsatz von Wärme und / oder Druck im schmelzflüssigen oder weichteigigen Zustand mit oder ohne Zugabe von gleichartigem Werkstoff miteinander verbunden.

Um Schweißen zu ermöglichen ist die Schweißbarkeit, der zu verbindenden Werkstoffe erforderlich. Dies ist vor allem vom angewendeten Schweißverfahren und der Konstrukti- on abhängig.

Abb. 9: Schweißverfahren

M et al ls ch w ei ße n

Schmelzschweißen

Lichtbogenschweißen

Metall-Lichtbogen- Schweißen Kohle-Lichtbogen-

Schweißen Metallschutzgas-

Schweißen Wolframschutzgas-

Schweißen Unterpulver-

Schweißen Unterschienen-

Schweißen Laser-Schweißen

Widerstands-Schmelz-

Schweißen Elektroschlacke- Schweißen

Gas-Schweißen Gießschmelz-

Schweißen Aluminothermisch- Schweißen

Pressschweißen

Lichtbogen-Press- Schweißen Widerstands-Überlapp-

Schweißen

Punkt-Schweißen

Rollennaht-Schweißen

Buckel-Schweißen Gaspress-Schweißen

Feuer-Schweißen

Schock-Schweißen

Reib-Schweißen

Rotationsreib- Schweißen Ultraschall-Schweißen

Reibrührschweißen

Widerstands-Stumpf- Schweißen

Abbrennstumpf- Schweißen Pressstumpf-

Schweißen

(41)

Die Schweißverfahren, die für Stähle zum Einsatz kommen, werden in Schmelz- und Pressschweißen eingeteilt. Beim Schmelzschweißen werden die Werkstoffe durch örtlich begrenzten Schmelzeinfluss ohne Ausübung von Druck miteinander verbunden. Beim Pressschweißen wird neben dem Wärmeeintrag noch Druck aufgebracht.

Die überwiegend angewandten Schweißverfahren sind im Stahlbau folgende Lichtbogen- Schmelzschweißverfahren:

Metalllichtbogenschweißung als Elektro-Handschweißung (E)

Metallschutzgasschweißung in Form der Metall-Aktivgasschweißung (MAG) Unterpulverschweißung (UP)¹⁶

4.1. E-Handschweißung (E-Schweißung)

Die Elektrode wird von Hand mit einer Zange geführt und besteht aus einem Kerndraht, der mit einer mineralischen Umhüllung versehen ist. Der Kerndraht besteht aus einem etwa artgleichem Material, wie die zu verbindenden Teile. Die Umhüllung schmilzt beim Abbrennen des Lichtbogens zwischen Werkstück und Kerndraht und hat die Aufgabe

die Leitfähigkeit des Lichtbogens zu verbessern,

einen Gasmantel zum Schutz des Schweißbades und des übergehenden Trop- fens vor Luftzufuhr zu bilden,

eine Schlacke zu bilden, die die frische Schweißnaht ebenfalls vor Luftzufuhr schützt, die Schweißraupe formt und die Geschwindigkeit der Abkühlung reduziert,

auflegierend und / oder desoxidierend zu wirken.¹⁷

(42)

Abb. 10: E-Handschweißung

Mahlo, Yvonne; Kjelberg Finsterwalde Unternehmensgruppe: Was ist E-Hand-Schweißen? In: URL:

http://www.kjellberg.de/Schweisstechnik/Service/Schweissverfahren/E-Hand-Schweissen.html (letzter Zugriff:

27.06.2018)

4.2. Metall-Aktivgasschweißung (MAG-Schweißung)

Bei diesem Schweißverfahren wird die Drahtelektrode von einer Trommel abgewickelt und in einer Schweißpistole automatisch zugeführt. Der Lichtbogen wird dabei durch ein aktives Schutzgas, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (CO2) oder Argon-Mischgas (CO2, O2 und Ar) geschützt. Dieses Verfahren ist heute unter allen Schmelzschweißverfahren am weitesten verbreitet.

Im Vergleich zum E-Handschweißen hat die MAG-Schweißung den Vorteil, dass aufgrund des Entfalls des Elektrodenwechsels die Abschmelzleistung deutlich größer ist. Der Einsatz dieses Verfahrens ist im Freien oder in zugigen Hallen nicht möglich, da die Schutzgasglocke verweht werden würde.¹⁸

4.3. Unterpulverschweißung (UP-Schweißung)

Beim UP-Schweißverfahren brennt der Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer von einer Trommel abgespulten Drahtelektrode unter Zugabe eines Schweißpulvers. Die Zufuhr des Drahtes und des Pulvers, sowie das Ziehen der Schweißnaht erfolgen auto-

(43)

matisch. Eine Rückgewinnung des überschüssigen Pulvers ist möglich. Das Pulver erfüllt die selben Aufgaben wie die Umhüllung einer Stabelektrode.¹⁹

Ein Nachteil der Unterpulverschweißung ist, dass das Schweißen nur in Wannenlage möglich ist.

4.4. Auswirkungen des Schweißens

Beim Schweißen entstehen sehr hohe Temperaturen, die den Stahl über den Schmelz- punkt hinaus erwärmen mit anschließender Abkühlung. Dadurch entsteht in den Berei- chen der Naht eine beidseitige Wärmeeinflusszone (WEZ). Mit zunehmendem Kohlen- stoffgehalt des Grundwerkstoffes und rascher Abkühlgeschwindigkeit (vor allem durch Wärmeableitung bei dicken Blechen) steigt die Gefahr der Aufhärtung zufolge Martensit- bildung in der Wärmeinflusszone und damit die Gefahr des Sprödbruchs. Daher ist bei dicken Blechen (t 30 mm) ein Vorwärmen des Materials auf 100 bis 200 °C erforderlich, damit das Abkühlen verlangsamt wird.

Die auftretenden Zwängungsspannungen können durch Spannungsarmglühen weitge- hend abgebaut werden. Dies ist auch durch das autogene Entspannen (Aufbringung eines entgegengesetzten Zwängungszustand) und das mechanische Belasten mit an- schließender Entlastung möglich. Ein eventuelles Schrumpfen beeinflusst auch die Bau- werksform, darum werden manchmal entsprechende Vorverformungen zum Ausgleich erforderlich.²⁰

4.5. Ausbildung von Schweißnähten

Schweißnähte werden in erster Linie anhand der Stoßarten unterschieden. Die häufigsten Stoßarten im Stahlbau sind Stumpfstöße und T-Stöße, wobei jede Art entweder durchge- schweißt oder nicht durchgeschweißt ausgeführt werden kann.

Die Ausführung der Schweißnähte ist in den Normen ÖNORM EN 1090-2 und ÖNORM B 1993-1-8 geregelt.

Bei durchgeschweißten Stumpfnähten, die ohne Schweißbadsicherung ausgeführt werden ist aufgrund des Luftzutritts von der anderen Seite die Bildung von Fehlstellen mög- lich. Daher sollte im Allgemeinen die Wurzel der Schweißnaht ausgefugt und nachge- schweißt werden. Um diese Maßnahmen zu vermeiden kann die Schweißnaht mit einer