Die 8 % und 14 % einer Keilscheibe sind die Werte des Trägers, nicht der Scheibe

Drei Zahlen, keine davon erklärt

Eine quadratische Scheibe mit keilförmigem Querschnitt hat mehrere Namen — Keilscheibe, Vierkantscheibe für I- oder U-Träger, schräge Scheibe. Händlerseiten führen sie nach der Neigung des Keils, und es tauchen drei Zahlen auf:

Die Verkaufsseiten hören dort auf. Sie sagen nicht, warum 8 und nicht 10, warum die amerikanische Zahl ein Verhältnis ist und die deutschen Prozentwerte sind, und auch nicht, wie man entscheidet, ob die Fläche vor einem überhaupt eine Keilscheibe braucht. Diese letzte Frage wird auf der Baustelle entschieden, und für sie gibt es eine veröffentlichte Antwort.

Die Schwelle ist 1:20, und sie ist frei nachzulesen

Der Research Council on Structural Connections veröffentlicht die Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts. Die Ausgabe vom 11. Juni 2020 ist ein kostenloses PDF. Abschnitt 3.1 über die verbundenen Bauteile begrenzt die Geometrie, bevor überhaupt von Scheiben die Rede ist:

Die Neigung der Flächen von Bauteilen, die mit Schraubenkopf und Mutter in Kontakt sind, muss gleich oder kleiner als 1:20 gegenüber einer Ebene senkrecht zur Schraubenachse sein. (sinngemäß übersetzt)

Abschnitt 6.1.1 nennt die Abhilfe für den Fall, dass diese Grenze nicht eingehalten wird:

Hat die Außenfläche der Verbindung eine Neigung größer als 1:20 gegenüber einer Ebene senkrecht zur Schraubenachse, ist eine keilförmige Scheibe nach ASTM F436 zu verwenden, um die fehlende Parallelität auszugleichen. (sinngemäß übersetzt)

Liest man beide zusammen, ist die Grenze scharf. Abschnitt 3.1 erlaubt eine Neigung gleich 1:20. Abschnitt 6.1.1 greift erst, wenn die Neigung größer als 1:20 ist. Eine Fläche, die genau auf dieser Zahl liegt, ist im zulässigen Bereich und verlangt nichts. Diese Lesart wird weiter unten wichtig, denn ein gefertigtes Profil liegt genau dort.

Was sich biegt, ist die Schraube

Der Kommentar zu Abschnitt 3.1 liefert die Begründung, und das Subjekt des Satzes verdient Aufmerksamkeit:

Garnituren für Stahlbauverschraubungen sind im Allgemeinen duktil genug, um sich beim Vorspannen an eine Fläche mit einer Neigung kleiner oder gleich 1:20 gegenüber einer Ebene senkrecht zur Schraubenachse anzupassen. Größere Neigungen sind unerwünscht, weil die daraus folgende örtliche Biegung sowohl die Festigkeit als auch die Duktilität der Schraube verringert. (sinngemäß übersetzt)

Daraus folgen zwei Dinge. Eine flache Neigung nimmt das Verbindungselement selbst auf: Die Garnitur verformt sich beim Vorspannen bis zur Anlage an der Fläche, von einer Scheibe wird also nichts verlangt. Und jenseits der Grenze ist das Problem keine fehlende Scheibe, sondern dass die Schraube örtlich gebogen wird; der Kommentar nennt dafür zwei Folgen, nicht eine. Festigkeit und Duktilität sinken beide.

Die Duktilität ist das, was in Zusammenfassungen wegfällt. Eine Schraube, die Festigkeit verloren hat, hat einen niedrigeren Wert. Eine Schraube, die Duktilität verloren hat, hat die Vorwarnung verloren, die sie vor dem Versagen gegeben hätte. Nur eines davon taucht in einer Berechnung auf.

Woher die Neigungen kommen

Es gibt mehrere Zahlen statt einer, weil die Scheibe etwas nachbildet. Ältere warmgewalzte Profile wurden mit geneigten inneren Flanschflächen hergestellt; die Neigung erleichterte das Walzen. Der aktuelle Profilkatalog von ArcelorMittal druckt die Neigung für jede Familie auf die Seite, und die Werte lauten:

Liest man die mittlere Spalte von oben nach unten, sehen die Scheibenbezeichnungen nicht mehr wie eigenständige Normen mit eigenen Ansichten aus. Jede ist das Gegenstück zu einem Flansch, den es schon gab. Die Zahl auf der Scheibe ist die Zahl des Trägers.

Die dritte Zeile passt nicht in die glatte Fassung dieser Geschichte, und es lohnt sich, bei ihr zu bleiben. Die UPN-Reihe hat nicht eine Neigung. Sie hat 8 % bis 300 mm Höhe und 5 % darüber, gedruckt als zwei Spalten auf derselben Katalogseite. Die Aussage „UPN hat 8 %“ stimmt für den größten Teil der Reihe und ist am oberen Ende falsch.

Die Scheibennorm teilt sich dort, wo sich der Träger teilt

Das technische Handbuch von REYHER für Verbindungselemente enthält eine Kennzeichnungstabelle für Vierkantscheiben mit der Neigung und der Zahl der Rillen, die quer über jede Scheibe gefräst sind:

DIN 6918 steht mit zwei Neigungen in der Tabelle, 8 % und 5 %, und genau diese beiden Neigungen hat die UPN-Reihe. Die Scheibennorm teilt sich dort, wo sich die Trägernorm teilt. Direkter wird der Beleg für die These dieses Artikels kaum, und er stammt aus einem Handbuch über Scheiben, nicht aus einem Dokument über Träger.

Die Rillenzahl dient der Erkennung vor Ort. Bei einem Teil von wenigen Millimetern Dicke lassen sich 8 % und 14 % nicht mit bloßem Auge unterscheiden, deshalb setzen die Normen ein zählbares Merkmal auf die Fläche: zwei Rillen für 8 %, eine für 14 %.

Die Neigung an den Maßen nachprüfen

Dieselbe Handbuchseite enthält Maße und gibt die Dicke als zwei Werte an, dickes Ende und dünnes Ende, neben den beiden Seitenlängen. Das genügt, um die Neigung zu bestimmen, ohne dem Tabellenkopf zu vertrauen. Neigung = (dick − dünn) ÷ b; wir haben das für jede gedruckte Größe gerechnet:

Die Rechnung reproduziert die beiden Kennzahlen über den ganzen Bereich, mit der Streuung, die man bei auf ein Zehntel Millimeter gerundeten Maßen erwartet. M8 weicht in beiden Spalten am stärksten ab; die Größe steht trotzdem hier und wurde nicht weggelassen, denn eine Tabelle, die nur die übereinstimmenden Größen zeigt, wäre keine Prüfung.

Möglich war diese Prüfung, weil das Handbuch seine Spalten benennt. Ein anderes Händlerdatenblatt zu DIN 434 enthält eine vollständige Tabelle von M8 bis M27 und definiert keine ihrer Spalten; dieselbe Rechnung auf drei Arten angewandt ergab Werte zwischen 5 % und 9 %, was die fehlenden Definitionen misst, nicht das Teil.

Neigungen und Schwelle in derselben Einheit

Die Schwelle ist ein Verhältnis, die meisten Neigungen sind Prozentwerte, und schon das reicht, um den Vergleich zu verdecken. Die Umrechnung ist eine Rechnung, die jeder wiederholen kann:

Die geneigten Familien liegen über der Grenze, und das ist die Plausibilitätsprüfung für die ganze Anordnung: Diese Scheiben gibt es, weil die Flächen, auf die sie gehören, außerhalb dessen liegen, was eine Schraube selbst aufnimmt. Interessant ist die zweite Zeile. Ein Flansch von UPN 320 oder UPN 400 hat 5 %, also genau 1:20, und Abschnitt 6.1.1 greift bei Neigungen größer als 1:20.

Zwei Dokumente aus verschiedenen Ländern und verschiedenen Normensystemen landen auf derselben Zahl, und wir haben keinen Beleg, dass eines mit Blick auf das andere geschrieben wurde. Sagen lässt sich, was jedes für sich sagt, und dass sie übereinstimmen, wo eine Schraube an ihre Grenze kommt.

Was diese Seite nicht belegt hat

• Keine DIN-Scheibennorm wurde gelesen. DIN 434, 435, 436, 6917 und 6918 sind kostenpflichtig. Neigungen, Rillenzahlen und Maße stammen aus dem technischen Handbuch von REYHER, einem Dokument eines Verbindungselementehändlers und nicht der Norm. Es stimmt mit dem übrigen geprüften Händlermaterial überein.
• ASTM F436 wurde nicht gelesen. Die 1:6 und die vorgesehenen Profile stammen aus dem Stahlkatalog und von Lieferanten. Keine Härte-, Maß- oder Werkstoffangabe aus dieser Norm erscheint hier.
• EN 10365 enthält die Neigungen nicht. Die Prozentwerte druckt ArcelorMittal auf seinen eigenen Katalogseiten, die für Maße EN 10365:2017 und für Toleranzen EN 10279:2000 zitieren. Die Neigungsangabe stammt vom Walzwerk.
• Die Ausgaben von 2024 haben wir nicht geprüft. Eine Gegenprüfung meldete, dass DIN 434:2024-10 und DIN 435:2024-10 gültig sind und keine EN- oder ISO-Norm sie ersetzt. Die Katalogeinträge des Verlags liegen hinter einer Bezahlschranke; wir haben das daher nicht selbst bestätigt, und es steht hier als Hinweis, nicht als Tatsache.
• Die 1:20 gehört zur Stahlbauverschraubung. Sie gilt für hochfeste Stahlbauverbindungen und sollte nicht ohne Grund auf die allgemeine Maschinenmontage übertragen werden. Übertragbar ist der Mechanismus: Eine Auflage, die nicht senkrecht steht, biegt das Verbindungselement.

Eine Korrektur verdient es, festgehalten zu werden. Der erste Entwurf dieser Seite sagte, die UPN-Reihe sei mit etwa 8 % geneigt, ohne Einschränkung. Eine Gegenprüfung hat das beanstandet, der Katalog hat die Beanstandung bestätigt, und die Ausnahme erwies sich als interessanter als die Verallgemeinerung.

Dieselbe Geometrie, eine Nummer kleiner

Nichts davon handelt von kleinen Schrauben, und Baustahl stellen wir nicht her. Übertragbar ist der Mechanismus, nicht die Zahl. Eine Auflage, die nicht senkrecht zur Schraubenachse steht, belastet den Kopf einseitig, und je kleiner die Schraube, desto weniger verträgt sie — ein Grat oder eine Entformungsschräge kann unter einem M2-Kopf das gesamte Fehlerbudget sein. Unsere Seite zur Spezifikation von Unterlegscheiben behandelt, was eine flache Scheibe leistet und was nicht, und auf welche Seite die Scheibe gehört behandelt das eine Dokument, das eine verwandte, ständig gestellte Frage beantwortet.

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

Wann braucht man tatsächlich eine Keilscheibe?

Die RCSC Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, Ausgabe 2020, verlangt in Abschnitt 6.1.1 eine keilförmige Scheibe nach ASTM F436, wenn die Außenfläche der Verbindung eine Neigung größer als 1:20 gegenüber einer Ebene senkrecht zur Schraubenachse hat. Abschnitt 3.1 setzt dieselbe 1:20 als Grenze für Flächen, die mit Schraubenkopf und Mutter in Kontakt sind, und erlaubt eine Neigung, die ihr gleich ist. Das ist eine Regel für Stahlbauverschraubungen, keine allgemeine Regel des Maschinenbaus.

Warum gerade 1:20?

Der Kommentar zu Abschnitt 3.1 begründet es mit der Schraube, nicht mit der Scheibe: Garnituren für Stahlbauverschraubungen sind im Allgemeinen duktil genug, um sich beim Vorspannen an eine Fläche mit 1:20 oder weniger Neigung anzupassen, und größere Neigungen sind unerwünscht, weil die resultierende örtliche Biegung sowohl die Festigkeit als auch die Duktilität der Schraube verringert. Er nennt also zwei Verluste. Die Duktilität fällt beim Weitergeben der Regel meist weg.

Hat der Flansch eines UPN-Profils 8 %?

Bis 300 mm Höhe ja. Über 300 mm sind es 5 %. ArcelorMittal druckt beides auf derselben Katalogseite als zwei Spalten, getrennt bei h = 300. Die Scheibenseite bildet das ab: REYHER führt DIN 6918 mit zwei Neigungen, 8 % und 5 %. Die pauschale Aussage, UPN habe 8 %, stimmt für den größten Teil der Reihe und ist am oberen Ende falsch.

Was ist der Unterschied zwischen DIN 434 und DIN 435?

Die Kennzeichnungstabelle von REYHER gibt DIN 434 mit 8 % und zwei Rillen an, DIN 435 mit 14 % und einer Rille, DIN 6917 mit 14 % und einer Rille sowie DIN 6918 mit 8 % oder 5 %. Die Rillenzahl dient der Erkennung vor Ort, da sich 8 % und 14 % bei einem Teil von wenigen Millimetern Dicke mit bloßem Auge nicht unterscheiden lassen. Keine dieser Normen haben wir gelesen; sie sind kostenpflichtig.

Ersetzt EN 14399-6 die DIN 434 und DIN 435?

Nein, und die Verwechslung sollte man benennen. EN 14399-6 behandelt flache Scheiben mit Fase für vorgespannte Stahlbauverschraubungen — runde Scheiben mit einer Fase an der Bohrung. Das ist keine keilförmige Scheibe mit einer durchgehenden Neigung von 8 % oder 14 %. Die gehärteten Keilscheiben in der Familie der vorgespannten Stahlbaugarnituren sind DIN 6917 und DIN 6918.

Brauchen moderne Träger Keilscheiben?

Profile mit parallelen Flanschen wie IPE, die HE-Reihe und UPE haben keine Neigung an der inneren Flanschfläche; eine flache Scheibe liegt also bereits plan auf, und die Frage nach 1:20 stellt sich für die Profilgeometrie selbst nicht. Keilscheiben bleiben für die älteren geneigten Profile relevant, weshalb sie oft eher ein Reparaturteil als Lagerware sind.

Kann man auf einem geneigten Flansch stattdessen eine flache Scheibe verwenden?

Oberhalb von 1:20 bietet die Spezifikation diese Möglichkeit nicht; sie verlangt die Keilscheibe, um die fehlende Parallelität auszugleichen. Eine flache Scheibe auf einer geneigten Auflage lässt den Kopf auf einer Kante tragen, und das ist die örtliche Biegung, vor der der Kommentar warnt; diese Biegung verringert Festigkeit und Duktilität der Schraube.

Quellen

• RCSC, Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, June 11, 2020 — Abschnitt 3.1 mit Kommentar sowie Abschnitt 6.1.1 (kostenloses PDF)
• ArcelorMittal, Sections and Merchant Bars Sales Programme — Flanschneigung je Familie: IPN 14 %, UPN 8 % / 5 % getrennt bei h = 300, American Standard S 1/6, American Standard C ca. 16⅔ % (kostenloses PDF)
• REYHER, Technische Informationen TI/2020.04/DE — Kennzeichnungstabelle für Vierkantscheiben (Neigung und Rillenzahl für DIN 434, 435, 436, 6917, 6918) und die für die Nachrechnung verwendete Maßtabelle (kostenloses PDF)
• ASTM F436/F436M, Hardened Steel Washers — nur der Katalogeintrag; die Norm selbst wurde nicht gelesen
• Aspen Fasteners, Metric DIN 434 specification sheet — die Maßtabelle mit undefinierten Spalten, auf die sich der Rechenabschnitt bezieht

Für diese Seite wurden drei Dokumente heruntergeladen und vollständig gelesen: die RCSC-Spezifikation (Abschnitte 3.1, 6.1.1 und der Kommentar zu 3.1, wörtlich zitiert und hier übersetzt), der Profilkatalog von ArcelorMittal (die Angaben zur Flanschneigung wurden auf den Seiten zu IPN, UPN, S und C gefunden) und das technische Handbuch von REYHER (die Kennzeichnungs- und Maßtabellen für Vierkantscheiben). Keine der DIN-Scheibennormen und auch ASTM F436 wurden gelesen; alle sind kostenpflichtig, und die ihnen hier zugeschriebenen Neigungen, Rillenzahlen und Maße sind das, was die Händlerdokumente drucken. Die Neigungsrechnung stammt von uns: Neigung = (dickes Ende − dünnes Ende) ÷ b, gerechnet für jede Größe der REYHER-Tabelle und vollständig wiedergegeben, einschließlich der beiden stärksten Abweichungen bei M8. Auf dem Datenblatt von Aspen Fasteners war dieselbe Rechnung nicht möglich, da es keine seiner Spalten definiert und je nach Lesart Werte zwischen 5 % und 9 % liefert. Die Umrechnungen von 1:20 in 5 % und von 1:6 in 16,7 % stammen von uns. Die Angabe, DIN 434:2024-10 und DIN 435:2024-10 seien gültig, stammt aus einer Gegenprüfung, die wir hinter der Bezahlschranke des Verlags nicht verifizieren konnten, und ist im Text entsprechend gekennzeichnet.