Der Nullpunkt des zuverlässigsten Vorspannverfahrens ist die volle Kraft eines Stahlbaumonteurs

Das Dokument umfasst hundertachtzehn Seiten, ist auf den 11. Juni 2020 datiert, wird vom Research Council on Structural Connections herausgegeben und ist vollständig kostenlos erhältlich. Es ersetzt die Ausgabe 2014. Es regelt Stahlbauverbindungen in den Vereinigten Staaten; es ist keine internationale Norm und erfasst keine gewöhnlichen Maschinenschrauben, daher sollte nichts davon auf eine andere Art von Verbindung übertragen werden.

Lesenswert über das eigene Fachgebiet hinaus ist es, weil es so oft offen ausspricht, was es nicht weiß, und um diese Stellen geht es auf dieser Seite vor allem.

Die Definition, die geändert und wieder zurückgeändert wurde

Abschnitt 8.1 nennt vier Anforderungen an eine snug-tight angezogene Verbindung, und keine davon ist eine Zahl. Löcher so ausgerichtet, dass sich die Schrauben ohne übermäßige Beschädigung des Gewindes einsetzen lassen. Schrauben in allen Löchern, Scheiben positioniert, Muttern aufgeschraubt. Das Zusammenziehen der Verbindung, systematisch vom steifsten Teil der Verbindung aus fortschreitend. Und die Verbindung im snug-tight-Zustand montiert, mit ausreichendem Gewindeeingriff.

Der Kommentar ergänzt die praktische Fassung, also dieselbe Liste menschlicher Handgriffe plus einen weiteren: Einsatz eines elektrischen Drehmomentschraubers, bis er langsamer zu werden beginnt. Dazu die Warnung, dass mehr als ein Durchgang durch das Schraubenbild erforderlich sein kann.

Dann folgt der Absatz, der alles erklärt.

Der Ausschuss hat also versucht, den Wortlaut zu präzisieren. Das hielt fünf Jahre. Das Problem: snug-tight ist nicht nur ein zu prüfender Zustand, sondern der Ursprung einer Messung, und eine Definition, die für die eine Aufgabe taugte, taugte nicht für die andere. Eine halbe Umdrehung ab einem unklaren Start ergibt eine unklare Vorspannung. Der Wortlaut, der sich gehalten hat, ist beim Drehmoment absichtlich vage und beim physischen Zustand konkret: die Bleche in festem Kontakt und ein definiertes Maß an menschlicher Kraft aufgebracht.

Derselbe Kommentar sagt offen, was fester Kontakt nicht bedeutet. Bei dickem Material oder Material mit großen Graten „ist es möglicherweise nicht an allen Schraubenlöchern möglich, Kontakt der Fügeflächen zu erreichen … Dies beeinträchtigt das Verhalten der Verbindung im Allgemeinen nicht.“ (sinngemäß übersetzt) Spalte dürfen bleiben, und das Dokument sagt es, statt es der Baustelle zu überlassen, das herauszufinden.

Die Drehwinkeltabelle ist ein Raster in Sechsteln

Tabelle 8.1 nennt den erforderlichen Weiterdrehwinkel der Mutter ab dem snug-tight-Zustand. Drei Bereiche der Schraubenlänge, drei Beschreibungen, wie parallel die Außenflächen sind.

Als Raster gelesen ist es eine einzige Regel; das ist unsere eigene Beobachtung, nicht die der Norm. Man beginnt bei einer Drittelumdrehung. Für jeden Längenbereich nach unten kommt ein Sechstel hinzu, für jede Neigungsstufe nach rechts ebenfalls ein Sechstel. Jedes Feld der Tabelle liegt in beiden Richtungen ein Sechstel von seinen Nachbarn entfernt.

Nun Fußnote a. Die Toleranz für alle geforderten Drehwinkel beträgt plus 60 Grad, also ein Sechstel einer Umdrehung, und minus null.

Das zulässige Überdrehen ist also genau ein Feld der Tabelle. Wer ein Feld zu weit dreht, liegt noch innerhalb der Toleranz. Wer ein Feld zu wenig dreht, liegt außerhalb, ohne jeden Spielraum. Das ganze Schema beruht auf einer einzigen Einheit, ist in die eine Richtung großzügig und in die andere unnachgiebig, und das ist die richtige Form für ein Verfahren, dessen Versagensart zu geringe Vorspannung ist.

Zwei weitere Fußnoten sind wichtig. Der Drehwinkel gilt relativ zur Schraube, unabhängig davon, welches Element gedreht wird; es spielt also keine Rolle, ob man den Kopf oder die Mutter festhält. Und die Tabelle gilt nur für Verbindungen, bei denen sämtliches Material innerhalb der Klemmlänge Stahl ist. Liegt etwas anderes im Paket, gilt die Tabelle nicht.

Die Tabelle endet bei zwölf Durchmessern, weil die Forschung dort endet

Eine vierte Zeile gibt es nicht. Fußnote c besagt, dass bei einer Schraubenlänge über zwölf Durchmessern der erforderliche Drehwinkel durch tatsächliche Versuche in einer geeigneten Vorrichtung zur Messung der Schraubenkraft zu bestimmen ist. Der Kommentar sagt ohne Ausschmückung, warum.

Die Tabelle endet nicht, weil lange Schrauben selten sind oder dem Ausschuss der Platz ausging. Sie endet dort, wo die Belege enden, und gibt stattdessen ein Vorgehen an die Hand: drei Proben jeder Kombination aus Schrauben- und Mutternlos, die verwendet werden soll, in einer Kraftmessvorrichtung prüfen und den Drehwinkel selbst ermitteln.

Derselbe Kommentar begründet das Verfahren unumwunden, und diesen Satz sollte man jedem vorhalten, der den Drehmomentschlüssel für das wissenschaftlichere Instrument hält.

Dehnungssteuerung, die den inelastischen Bereich erreicht. Die Umdrehungen werden gerade deshalb genau gezählt, weil die Schraube kontrolliert über die Streckgrenze gebracht wird, und Länge ist eine Größe, die sich über Drehung steuern lässt. Drehmoment ist das nicht, weil es größtenteils in Reibung aufgeht. Dieses Argument erscheint auf dieser Website aus der anderen Richtung, und es ist dasselbe Argument.

Der Wiederverwendungstest, den man mit der Hand macht

Abschnitt 2.11 ist neu in der Ausgabe 2020, aus dem Kommentar herausgelöst und erweitert. Er besteht aus drei Sätzen.

• Blanke Sechskantschrauben der Group 120 in schwerer Ausführung dürfen wiederverwendet werden, in snug-tight angezogenen Verbindungen ohne Zustimmung des Engineer of Record, in vorgespannten und gleitfesten Verbindungen mit ihr
• Verzinkte oder beschichtete Schrauben jeder Group oder Güte, verzinkte oder beschichtete Garnituren mit Keilwellenende jeder Group oder Güte sowie Sechskantschrauben der Group 150 in schwerer Ausführung dürfen nicht wiederverwendet werden
• Nachziehen gilt nicht als Wiederverwendung

Dann liefert der Kommentar in einem Absatz die Begründung und einen Baustellentest. Das vorgespannte Montieren bewirkt eine inelastische Längung des Gewindeabschnitts zwischen Mutter und Gewindeauslauf. Eine blanke Schraube der Grade A325 hat genug Duktilität für mehr als einen solchen Vorgang. Grade A490 hat genug für einen und ist nicht durchgängig duktil genug für einen weiteren. Verzinken verringert die Drehwinkelreserve der Mutter, deshalb scheiden beschichtete Schrauben aus.

Ein Handtest, abgedruckt in einer Spezifikation, für eine Eigenschaft, die sonst eine Kraftmessvorrichtung bräuchte. Er funktioniert, weil der gesuchte Fehler eine bleibende Dehnung im Gewinde ist, und gedehntes Gewinde klemmt. Nichts anderes in diesem Dokument ist so einfach anzuwenden.

Wo Scheiben tatsächlich vorgeschrieben sind

Abschnitt 6 beginnt damit, eine Annahme auszuräumen. Scheiben sind in snug-tight angezogenen Verbindungen nicht erforderlich, und sie sind auch in vorgespannten oder gleitfesten Verbindungen nicht erforderlich. Dann folgen die Ausnahmen, und die sind der interessante Teil, weil sie an das Verfahren gebunden sind und nicht an die Last.

• Eine Neigung über 1:20 an einer Außenfläche verlangt eine Keilscheibe, um die fehlende Parallelität auszugleichen
• Ein Langloch in einem äußeren Blech verlangt eine Scheibe, die groß genug ist, das Loch vollständig abzudecken
• Das Verfahren mit kalibriertem Schlüssel verlangt eine Scheibe unter der Mutter
• Das Verfahren mit Abreißschrauben (twist-off) verlangt eine unter der Mutter als Teil der Garnitur
• Das kombinierte Verfahren verlangt eine unter der Mutter
• Das Verfahren mit direkt anzeigenden Vorspannscheiben verlangt, wenn die Anzeigescheibe unter dem gedrehten Element sitzt, eine Scheibe zwischen gedrehtem Element und Anzeigescheibe

Drei dieser sechs gibt es, weil ein Verfahren eine kontrollierte Reibfläche braucht, gegen die gedreht wird. Die Scheibe schützt nicht den Stahl. Sie ist Teil des Messinstruments.

Warum sich die Lektüre auch außerhalb des Stahlbaus lohnt

Übertragbar ist sehr wenig. Die Güten sind amerikanisch, die Verbindungsarten stammen aus dem Stahlbau, und die Drehwinkeltabelle ist ausdrücklich auf Klemmpakete beschränkt, die vollständig aus Stahl bestehen. Nichts auf dieser Seite sollte auf eine metrische Schraube in einer Maschine angewandt werden.

Ein Gedanke ist übertragbar, und er hat inzwischen eine eigene Seite. Dieselbe Spezifikation definiert gleitfeste Verbindung und Scher-/Lochleibungsverbindung nebeneinander, und die Gleitgleichung multipliziert mit der Vorspannung, sodass eine Schraube ohne Vorspannung eine Verbindung ganz ohne Gleitwiderstand hinterlässt und nicht bloß eine geschwächte. Das ist eine Aussage über Lastpfade, nicht über amerikanische Güten, und sie gilt überall, wo zwei Bleche zusammengeklemmt sind.

Das Wort, das diese Spezifikation definiert, ist nicht das Wort, das die US-amerikanische Arbeitsschutznorm verwendet, wenn sie sagt, wie viel verschraubt sein muss, bevor ein Kran ein Bauteil freigibt. Jene Norm verlangt wrench-tight, definiert es nirgends und überlässt die Definition dem Ingenieur, der die Zeichnungen gesiegelt hat; das ist ein anderes Dokument, das auf anderem Weg in die Nähe derselben Stelle gelangt.

Übertragbar ist die Gestalt des Dokuments. Dreimal sagt es in den obigen Abschnitten etwas, das eine Spezifikation gewöhnlich verbirgt: dass eine Definition geändert wurde und wieder zurückgeändert werden musste, dass eine Tabelle dort endet, wo die Forschung endet, und dass der praktische Test für eine seiner Regeln lautet, ob sich eine Mutter von Hand herunterdrehen lässt. Eine Spezifikation, die solches offen ausspricht, lässt sich leichter richtig anwenden als eine mit glatter Oberfläche, weil man sieht, welche Teile Messung und welche Konvention sind.

Und der Satz, mit dem alles beginnt, ist noch immer der beste. Das zuverlässigste verfügbare Vorspannverfahren beginnt bei einem Zustand, der definiert ist als die volle Kraft eines Stahlbaumonteurs mit einem gewöhnlichen Montageschlüssel.

Auch die Scheibe trägt einen Typ. Die Spezifikation verlangt, dass der Typ solcher Scheiben, Type 1 oder Type 3, dem der Schraube entspricht, und wenn niemand den Schraubentyp angibt, darf jeder der beiden geliefert werden.

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

Was bedeutet snug-tight eigentlich?

Die RCSC-Spezifikation definiert den snug-tight-Zustand als den Verbindungszustand, in dem die Bleche in festen Kontakt gebracht wurden und jede Schraubengarnitur mindestens die Festigkeit des Anzugs erreicht hat, die sich mit einigen Schlägen eines Schlagschraubers, dem Widerstand eines geeigneten nicht schlagenden Schlüssels oder der vollen Kraft eines Stahlbaumonteurs mit einem gewöhnlichen Montageschlüssel ergibt. Die Definition enthält keinen Drehmomentwert.

Warum wird snug-tight nicht über ein Drehmoment definiert?

Weil der Zustand nicht nur geprüft wird, sondern auch der Ausgangspunkt des Drehwinkelverfahrens ist. Der Kommentar hält fest, dass die Definition in der Spezifikation von 2009 vorübergehend geändert und 2014 auf den Wortlaut von 2004 zurückgeführt wurde, weil sich die Fassung von 2009 zwar für die Prüfung eignete, aber als unzureichend erwies, um einen geeigneten Ausgangspunkt für das Drehwinkelverfahren festzulegen.

Wie weit dreht man die Mutter beim Drehwinkelverfahren?

Tabelle 8.1 nennt eine Drittelumdrehung für Schrauben bis zu vier Durchmessern Länge mit beiden Flächen senkrecht zur Schraubenachse, ansteigend bis zu einer vollen Umdrehung für Schrauben zwischen acht und zwölf Durchmessern mit beiden Flächen geneigt. Liest man die Tabelle als Raster, was unsere eigene Beobachtung ist, fügt jeder Schritt in beide Richtungen ein Sechstel einer Umdrehung hinzu.

Wie groß ist die Toleranz für den Drehwinkel?

Plus 60 Grad, also ein Sechstel einer Umdrehung, und minus null Grad. Nach unserem eigenen Vergleich ist das zulässige Überdrehen damit genau ein Feld der Tabelle, während für zu geringes Drehen überhaupt kein Spielraum besteht.

Warum endet die Drehwinkeltabelle bei zwölf Schraubendurchmessern?

Der Kommentar nennt den Grund: Es gibt keine verfügbare Forschung, die den erforderlichen Drehwinkel für Schraubenlängen über zwölf Durchmessern festlegt. Darüber hinaus verlangt Fußnote c, den Drehwinkel durch tatsächliche Versuche in einer geeigneten Vorrichtung zur Messung der Schraubenkraft zu bestimmen, und der Kommentar empfiehlt, drei Proben jeder Kombination aus Schrauben- und Mutternlos zu prüfen.

Ist das Drehwinkelverfahren besser als ein Drehmomentschlüssel?

Die Spezifikation sagt es direkt. Ihr Kommentar stellt fest, dass das Drehwinkelverfahren zu zuverlässigeren Schraubenvorspannungen führt, als drehmomentgesteuerte Verfahren sie im Allgemeinen liefern, weil eine Dehnungssteuerung, die den inelastischen Bereich des Schraubenverhaltens erreicht, von Natur aus zuverlässiger ist als ein Verfahren, das vollständig von der Drehmomentsteuerung abhängt.

Darf eine Stahlbauschraube wiederverwendet werden?

Nach Abschnitt 2.11 dürfen blanke Sechskantschrauben der Group 120 in schwerer Ausführung in snug-tight angezogenen Verbindungen ohne Zustimmung des Engineer of Record wiederverwendet werden, in vorgespannten oder gleitfesten Verbindungen mit Zustimmung. Verzinkte oder beschichtete Schrauben jeder Group oder Güte und Sechskantschrauben der Group 150 in schwerer Ausführung dürfen nicht wiederverwendet werden. Nachziehen gilt nicht als Wiederverwendung.

Gibt es einen schnellen Test, ob eine Schraube wiederverwendet werden kann?

Der Kommentar nennt einen. Als einfache Faustregel ist eine blanke Schraube der Grade A325 zur Wiederverwendung geeignet, wenn sich die Mutter von Hand über das gesamte Gewinde drehen lässt. Der Grund: Das Vorspannen längt den Gewindeabschnitt zwischen Mutter und Gewindeauslauf inelastisch, und gedehntes Gewinde klemmt.

Sind bei Stahlbauschrauben Scheiben vorgeschrieben?

Im Allgemeinen nicht. Abschnitt 6 stellt fest, dass Scheiben weder in snug-tight angezogenen noch in vorgespannten oder gleitfesten Verbindungen erforderlich sind, und listet dann die Ausnahmen auf. Eine Neigung über 1:20 erfordert eine Keilscheibe, ein Langloch in einem äußeren Blech eine Scheibe, die es abdeckt, und das Verfahren mit kalibriertem Schlüssel, das Abreißverfahren und das kombinierte Verfahren erfordern jeweils eine unter der Mutter, ebenso das Verfahren mit direkt anzeigenden Vorspannscheiben, wenn die Anzeigescheibe unter dem gedrehten Element liegt.

Quellen

• Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, 11. Juni 2020, Research Council on Structural Connections. Glossar, Abschnitte 2.11, 6, 8.1 und 8.2.1, Tabelle 8.1
• Dokumentenseite des Research Council on Structural Connections, auf der die Spezifikation vollständig und kostenlos veröffentlicht ist

Dies ist ein vollständiges kostenloses PDF von 118 Seiten, herausgegeben vom Research Council on Structural Connections, keine Leseprobe. Es ist auf den 11. Juni 2020 datiert und ersetzt die Ausgabe 2014. Es ist eine US-amerikanische Spezifikation für Stahlbauverbindungen. Es ist keine internationale Norm, erfasst keine gewöhnlichen Maschinenschrauben, und nichts auf dieser Seite sollte auf eine andere Art von Verbindung oder auf metrische Verbindungselemente angewandt werden. Folgendes sind unsere eigenen Beobachtungen, keine Aussagen der Spezifikation: dass Tabelle 8.1 ein einziges Raster in Sechstelumdrehungen ist, dass jeder Schritt in beide Richtungen ein Sechstel hinzufügt und dass die Toleranz von plus 60 Grad in Fußnote a daher genau ein Feld der Tabelle beträgt. Tabelle 8.1 wurde anhand eines gerenderten Bildes der gedruckten Seite geprüft, weil die Bruchzeichen die Textextraktion nicht überstehen. Aus ASTM F3125, F1852, F2280, F3148, F436 oder F959 wird nichts zitiert außer den Sätzen der RCSC-Spezifikation, die sie nennen. Tabelle 5.2 mit den Mindestvorspannkräften wird nicht zitiert, ebenso wenig Abschnitt 7 zur Verifizierung vor der Montage oder Abschnitt 9 zur Prüfung; diese wurden nicht eingehend gelesen. Diese Seite beschreibt ein Dokument. Sie ist keine Montage- oder Prüfanweisung. Anders als die meisten Beiträge dieser Reihe geht sie nicht von einer Forumsfrage aus: Die Subreddits zu Tragwerksplanung und Bauwesen enthielten in diesem Monat keine geeignete Frage zu Verbindungselementen, daher wurde das Thema aus den Abdeckungslücken der Website gewählt, in denen RCSC, direct tension indicator, load indicating, F959, A325 und F3125 keinen einzigen Treffer ergaben.