Es gibt ein Verfahren, eine Schraube nachträglich zu prüfen, und die Spezifikation zählt auf, warum es nicht funktioniert

Diese Seite gibt keinen Rat zu Prüfung, Anziehen oder Abnahme. Sie liest einen Abschnitt einer Spezifikation. Die Frage stammt von einer öffentlichen Frage-und-Antwort-Website für Kfz-Technik und wurde über deren offene Schnittstelle abgerufen, weil die Browserwerkzeuge, die diese Website sonst nutzt, erneut nicht verfügbar waren. Wir haben die Frage gelesen, nicht die Antworten, und es erscheint hier kein Benutzername.

Das Schiedsdrehmoment ist keine Zahl zum Nachschlagen

Der Abschnitt ist kurz und an Bedingungen geknüpft. Er gilt, „wenn nach einer Prüfung … vermutet wird, dass Schrauben in vorgespannten oder gleitfesten Verbindungen nicht die richtige Vorspannkraft haben“, und selbst dann ist das Verfahren zulässig, nicht vorgeschrieben. Es folgen vier nummerierte Schritte, und als Erstes fällt auf, dass keiner davon mit einem Drehmomentwert beginnt.

• Fünf Garnituren aus Schraube und Mutter je strittiger Kombination aus Durchmesser, Länge, Festigkeitsklasse und Los kommen in ein Gerät zur Messung der Schraubenkraft. Der Werkstoff unter dem gedrehten Element muss derselbe sein wie im tatsächlichen Einbau, Baustahl oder gehärtete Scheibe
• Jede wird teilweise auf etwa 15 Prozent der festgelegten Vorspannkraft angezogen und dann auf den festgelegten Mindestwert vorgespannt
• Ein Drehmomentschlüssel wird angesetzt, und festgehalten wird das Drehmoment, das nötig ist, um Mutter oder Schraubenkopf fünf Grad gegenüber dem Gegenstück zu drehen
• Das Schiedsdrehmoment ist dann der Mittelwert der mittleren drei, nachdem der höchste und der niedrigste Wert verworfen wurden
• Dieses Drehmoment wird auf 10 Prozent der Garnituren, aber nicht weniger als zwei aufgebracht, zufällig ausgewählt in jeder strittigen Verbindung. Dreht sich nichts, wird die Verbindung angenommen

Die Zahl wird also am selben Tag aus dem tatsächlichen Los, mit dem tatsächlichen Werkstoff erzeugt und dann auf die Verbindung angewendet. Sie ist keine Eigenschaft der Schraube, die man in eine Tabelle hätte drucken können.

Drei kleine Rechnungen, unsere und nicht die der Spezifikation. Den höchsten und den niedrigsten von fünf Werten zu verwerfen und den Rest zu mitteln heißt, dass vierzig Prozent der Stichprobe weggeworfen werden. Die fünf Grad werden im Text als etwa ein Zoll bei zwölf Zoll Radius erläutert, und ein Zwölftel eines Radianten sind 4,77 Grad; die Klammer ist also etwa viereinhalb Prozent kleiner als der Wert, den sie erklärt. Und zehn Prozent mit einer Untergrenze von zwei bedeuten, dass bei jeder Verbindung mit weniger als zwanzig Schrauben die Untergrenze maßgebend ist.

Die Richtung ist die Anziehrichtung

Das ist der Teil, der die Frage berührt. Das in Schritt zwei festgehaltene und das in Schritt vier aufgebrachte Drehmoment werden beide ausdrücklich in Anziehrichtung bestimmt. Das schriftliche Verfahren misst überhaupt nie ein Lösedrehmoment.

Es misst den Widerstand gegen ein Weiterdrehen. Eine ordnungsgemäß vorgespannte Schraube bewegt sich unter dem Schiedsdrehmoment nicht um fünf Grad, eine lose schon. Die Prüfung fragt nicht, wie fest die Schraube ist. Sie fragt, ob sich die Schraube über eine Schwelle drücken lässt, die eine richtig eingebaute nicht überschritten hätte.

Das ist eine andere Frage als die, die eine Messung beim Lösen beantwortet, und der Unterschied ist wichtig, weil Losbrechen und erneutes Weiterdrehen einer Verbindung nicht symmetrisch sind. Diese Website hat den Grund, warum Drehmoment und Vorspannkraft in beide Richtungen schlecht korrelieren, bereits behandelt: Eine Stahlbauspezifikation zog 1954 ihre eigene Drehmomenttabelle zurück, nachdem Streuungen von bis zu vierzig Prozent festgestellt worden waren, und die Norm für Kraftschrauber sagt klar, dass statische Nachziehdrehmomentmessungen nur schlecht mit dem Zustand der Verbindung korrelieren. Beides wird hier nicht wiederholt.

Der Kommentar zählt auf, was fehlt

Die meisten Spezifikationen hören auf, wenn sie ein Verfahren festgelegt haben. Diese dreht sich um und listet die Gründe auf, ihm zu misstrauen. Nachdem sie festhält, dass das Schiedsverfahren alle Unsicherheiten der drehmomentgesteuerten Montage erbt, sagt sie, die Zuverlässigkeit werde zusätzlich verringert durch das Fehlen vieler der Kontrollen, die das Verhältnis von Drehmoment zu Vorspannkraft im Griff halten, und nennt drei.

Dann fügt sie hinzu, dass das Schiedsdrehmoment in vielen Fällen aus Schrauben ermittelt werden muss, von denen „nur angenommen werden kann, dass sie repräsentativ sind“ für die verbauten, oder aus Schrauben, die aus fertigen Verbindungen ausgebaut wurden. Und dann folgt der Satz oben auf dieser Seite, ein so klares Eingeständnis beidseitiger Fehler, wie es eine Spezifikation wohl je drucken wird.

Eine weitere Bestimmung ist erwähnenswert. Muss die Vorspannkraft nach Ablauf einer gewissen Zeit und unter Umgebungseinflüssen nachgewiesen werden, ist laut Abschnitt ein der Situation angemessenes alternatives Schiedsverfahren anzuwenden. Die vier Schritte gelten für einen Streit über eine frische Verbindung, nicht für die Überprüfung einer alten.

Die genaue Methode ist eine Messung beim Lösen, und sie verbraucht die Schraube

Der Kommentar beschreibt dann, was zu tun ist, wenn man tatsächlich die Vorspannkraft wissen will und nicht einen Ersatzwert dafür. Ein Ultraschall-Extensometer oder ein mechanisches, das Längenänderungen der Schraube messen kann, „kann eine sehr genaue Messung der tatsächlichen Vorspannkraft liefern“.

Und zwar so: „Das Verfahren umfasst die Messung der Längenänderung der Schraube beim Lösen der Mutter“, kombiniert entweder mit einer Kraftkalibrierung der ausgebauten Garnitur oder mit einer Berechnung der Kraft, die der gemessenen elastischen Rückfederung entspricht.

Die einzige Methode, die tatsächlich in Löserichtung misst, liest die Schraube also ab, indem sie sie loslässt. Und die Folge wird sofort genannt: „Der Wiedereinbau der gelösten Garnitur oder der Einbau einer Ersatzgarnitur ist erforderlich. Das notwendige Lösen legt nahe, Extensometer nur in den kritischsten Fällen direkt als Prüfmittel einzusetzen.“

Eine genaue Antwort kostet die Verbindung, nach der man gefragt hat. Der Kommentar merkt sogar an, dass der Wiedereinbau einen Austausch erzwingen kann, sofern das Drehmoment nicht langsam genug aufgebracht werden kann, um die ursprüngliche Verlängerung wiederherzustellen. Das ist die Form des ganzen Problems in einem Absatz: Die billige Messung geht in die falsche Richtung und gilt erklärtermaßen als unzuverlässig, und die zuverlässige ist zerstörend.

Was daraus folgt

• Es gibt ein schriftliches Schiedsverfahren für eine eingebaute Schraube; es ist zulässig, nicht vorgeschrieben, und erst nachdem eine Prüfung einen Verdacht ergeben hat
• Das Schiedsdrehmoment wird am selben Tag erzeugt, aus fünf Garnituren des strittigen Loses, mit demselben Werkstoff wie auf der Baustelle, nicht nachgeschlagen
• Es ist das Drehmoment, um Mutter oder Kopf fünf Grad zu drehen, und die Spezifikation erläutert das als etwa ein Zoll bei zwölf Zoll Radius, nach unserer Rechnung 4,77 Grad
• Höchst- und Tiefstwert werden verworfen und die mittleren drei gemittelt, also werden vierzig Prozent der Stichprobe weggeworfen
• Messung und Prüfung erfolgen beide in Anziehrichtung. Das Verfahren misst nie ein Lösedrehmoment
• Zehn Prozent einer Verbindung werden geprüft, mindestens zwei, unter zwanzig Schrauben ist also die Untergrenze maßgebend
• Der Kommentar nennt drei Kontrollen, die fehlen, wenn nachträglich geprüft wird: gehärtete Scheiben, Beachtung der Schmierung und die Wirkung von Zeit und Umgebungseinflüssen
• Die Spezifikation sagt, dass das Verfahren gute Schrauben zurückweisen und schlechte annehmen kann, und bietet es als das am ehesten durchführbare an
• Die genaue Alternative misst die Längenänderung beim Lösen der Mutter und verlangt danach Wiedereinbau oder Austausch

Die Frage war, warum jemand das Drehmoment beim Lösen messen sollte. Die schriftliche Antwort aus dieser Ecke der Branche lautet, dass man das meist nicht tut, dass die anerkannte Prüfung in die andere Richtung drückt und dass das Dokument, das sie festlegt, lieber seine Grenzen nennt, als sie mit einer Messung verwechseln zu lassen.

Dieser Beitrag gehört nicht zu nur einem der sechs Schritte. Er betrifft mehrere Schritte oder Vorgänge nach der Montage. Die zugrunde liegenden Entscheidungen stehen im englischen Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Gibt es ein genormtes Verfahren, um eine bereits eingebaute Schraube zu prüfen?

Im Stahlbau gibt es eines, im Abschnitt der Spezifikation über das Schiedsverfahren. Es gilt, wenn eine Prüfung den Verdacht ergeben hat, dass Schrauben in vorgespannten oder gleitfesten Verbindungen nicht die richtige Vorspannkraft haben, und selbst dann ist das Verfahren zulässig, nicht vorgeschrieben.

Was ist ein Schiedsdrehmoment?

Eine durch Versuch erzeugte Zahl, keine nachgeschlagene. Fünf Garnituren aus Schraube und Mutter des strittigen Durchmessers, der Länge, der Festigkeitsklasse und des Loses werden in einem Gerät zur Messung der Schraubenkraft vorgespannt, mit demselben Werkstoff unter dem gedrehten Element wie im tatsächlichen Einbau, und für jede wird das Drehmoment festgehalten, das nötig ist, um Mutter oder Kopf fünf Grad zu drehen. Höchst- und Tiefstwert werden verworfen und die übrigen drei gemittelt.

Wird es beim Lösen gemessen?

Nein. Sowohl die Messung an der Stichprobe als auch die Prüfung an der Verbindung sind in Anziehrichtung festgelegt. Das Verfahren hält das Drehmoment fest, das nötig ist, um ein bereits vorgespanntes Verbindungselement weiterzudrehen, nicht das Drehmoment zum Losbrechen.

Wie viele Schrauben werden geprüft?

Zehn Prozent der Garnituren, aber nicht weniger als zwei, zufällig ausgewählt in jeder strittigen Verbindung. Nach unserer Rechnung ist damit bei jeder Verbindung mit weniger als zwanzig Schrauben die Untergrenze von zwei maßgebend. Dreht sich unter dem Schiedsdrehmoment nichts, wird die Verbindung angenommen; dreht sich etwas, werden alle Schrauben der Verbindung geprüft.

Wie zuverlässig ist es?

Das beantwortet die Spezifikation selbst. Ihr Kommentar sagt, ein solches Schiedsverfahren könne ordnungsgemäß eingebaute Garnituren zu Unrecht zurückweisen oder nicht ordnungsgemäß eingebaute annehmen, und das Verfahren werde trotz seiner Grenzen als das derzeit am ehesten durchführbare bereitgestellt.

Welche Kontrollen fehlen bei einer nachträglichen Prüfung?

Der Kommentar nennt drei: die Verwendung gehärteter Scheiben, die sorgfältige Beachtung der Schmierung und die Ungewissheit über die Wirkung von Zeitablauf und Umgebungseinflüssen im eingebauten Zustand. Er merkt außerdem an, dass das Schiedsdrehmoment oft aus Schrauben stammen muss, von denen nur angenommen werden kann, dass sie repräsentativ sind, oder aus Schrauben, die aus fertigen Verbindungen ausgebaut wurden.

Gibt es eine genauere Methode?

Der Kommentar beschreibt die Messung der Längenänderung der Schraube mit einem Ultraschall- oder mechanischen Extensometer, die nach seinen Worten eine sehr genaue Messung der tatsächlichen Vorspannkraft liefern kann. Gemessen wird beim Lösen der Mutter, und danach ist der Wiedereinbau der gelösten Garnitur oder der Einbau einer Ersatzgarnitur erforderlich.

Warum wird diese Methode nicht routinemäßig eingesetzt?

Wegen des Lösens. Der Kommentar sagt, das notwendige Lösen lege nahe, Extensometer nur in den kritischsten Fällen direkt als Prüfmittel einzusetzen, und merkt an, dass der Wiedereinbau einen Austausch erzwingen kann, sofern das Drehmoment nicht langsam genug aufgebracht werden kann, um die ursprüngliche Verlängerung wiederherzustellen.

Gilt das für eine alte Verbindung?

Für eine solche sind die vier Schritte nicht geschrieben. Der Abschnitt sagt, dass ein der jeweiligen Situation angemessenes alternatives Schiedsverfahren anzuwenden ist, wenn die Vorspannkraft nach Ablauf einer gewissen Zeit und unter Umgebungseinflüssen auf die fertigen Verbindungen nachgewiesen werden muss. Wie dieses Verfahren aussieht, sagt er nicht.

Quellen

• Research Council on Structural Connections, Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, 11. Juni 2020, 118 Seiten, kostenlos und vollständig. Abschnitt 10, Arbitration, mit Kommentar
• Die Frage, auf einer öffentlichen Frage-und-Antwort-Website für Kfz-Technik. Dreiundzwanzig Stimmen, fünf Antworten

Die Spezifikation von 2020 wurde vollständig heruntergeladen, und Abschnitt 10 samt Kommentar wurde ganz gelesen; die zitierten Passagen wurden an gerenderten Bildern der beiden gedruckten Seiten geprüft, auf denen sie stehen. Diese Website verwendet dieses Dokument zum vierten Mal, nach der Definition von snug-tight, dem Unterschied zwischen den Verbindungsarten und den historischen Kommentaren. Abschnitt 10 wurde in keiner der drei berührt, und nichts daraus wird hier wiederholt. Folgendes ist unsere eigene Rechnung, keine Aussage der Spezifikation: dass ein Zoll bei zwölf Zoll Radius 4,77 Grad sind und damit etwa viereinhalb Prozent weniger als die fünf Grad, die damit erläutert werden; dass das Verwerfen von Höchst- und Tiefstwert aus fünf vierzig Prozent der Stichprobe verwirft; und dass eine Untergrenze von zwei bei zehn Prozent für jede Verbindung mit weniger als zwanzig Schrauben maßgebend ist. Tabelle 5.2 und ihre Vorspannkraftwerte werden hier bewusst nicht wiedergegeben, wie schon auf einer früheren Seite zu demselben Dokument. Die Abschnitte 9.1 bis 9.3 wurden nur so weit gelesen, wie nötig war, um festzustellen, was das Schiedsverfahren auslöst; ihre Prüfmethoden werden nicht zusammengefasst. Der Kommentar zu Abschnitt 8.3.2, auf den dieser Abschnitt für die Unsicherheiten der drehmomentgesteuerten Montage verweist, ist die Passage, die diese Website an anderer Stelle wegen ihrer sieben Variablen zitiert hat. Hier wird kein Rat zu Prüfung, Anziehen oder Abnahme gegeben, es wird kein Gerätehersteller genannt, obwohl der Kommentar erwähnt, dass mehrere geeignete Geräte herstellen, und diese Seite bezieht keine Position dazu, ob sich eine Messung beim Lösen lohnt. Die Frage stammt von einer öffentlichen Frage-und-Antwort-Website für Kfz-Technik statt aus den Forenwerkzeugen, die diese Website sonst nutzt und die weiterhin nicht verfügbar sind. Wir haben die Frage gelesen, nicht die Antworten, und es erscheint hier kein Benutzername.