Warum Löcher für Verbindungsmittel versetzt angeordnet werden

Die Frage und drei Antworten, die alle richtig klingen

„Warum sind die Schraubenlöcher der meisten Türscharniere im Zickzack angeordnet?“ wurde auf Engineering Stack Exchange fast 6.000-mal gelesen. Die drei bestbewerteten Antworten nennen drei verschiedene Mechanismen: eine Ebene konzentrierter Spannung vermeiden, verhindern, dass das Holz zwischen den Schrauben entlang der Faser aufspaltet, und mehr Schrauben die Chance geben, in gesundem Material zu sitzen, statt ein „Perforationsmuster wie bei Toilettenpapier“ zu erzeugen.

Alle drei zeigen auf etwas Reales. Keine davon gibt wieder, was die einschlägigen Normen tatsächlich sagen, und die Normen sind interessanter.

Was Eurocode 5 tatsächlich gewährt

EN 1995-1-1 enthält eine Regel für Nägel in einer Reihe parallel zur Faser. Sind sie nicht versetzt, dürfen nicht alle mit vollem Wert angesetzt werden. Die Reihe wird auf eine wirksame Anzahl abgemindert:

n_ef = n^k_ef

und k_ef hängt vom Abstand in Faserrichtung ab:

Die Regel sagt dann, dass diese Abminderung nicht gilt, „sofern die Nägel dieser Reihe nicht rechtwinklig zur Faser um mindestens 1 d versetzt sind“ (sinngemäß übersetzt). Der Lohn dafür, die Löcher um einen Durchmesser zu versetzen, ist also: Eine Reihe, die mit 0,7 abgemindert worden wäre, oder mit 0,5 bei engem Abstand und Vorbohrung, zählt voll.

Abschnitts- und Tabellennummern beziehen sich hier auf EN 1995-1-1:2004+A2:2014, die weiterhin gültig ist. Es gibt eine Ausgabe der zweiten Generation; deren endgültigen Wortlaut haben wir nicht geprüft, und ihr Entwurf behandelte denselben Gedanken ebenfalls über die wirksame Anzahl, nicht über Abstände.

Auch Stahlbaunormen vergüten das Versetzen, in anderer Währung

Hat ein Zugstab eine schräg verlaufende Lochkette, erlauben beide großen Stahlbaunormen, für die schrägen Abschnitte des Pfades etwas zur Nettobreite hinzuzurechnen. AISC 360 gibt an:

b_n = b_g − Σd_h + Σ s²/(4g)

mit s als Lochabstand in Stablängsrichtung zwischen versetzten Löchern und g als Abstand quer dazu. EN 1993-1-1 formuliert denselben Gedanken als Abzug. Man prüft jeden geraden und jeden Zickzackpfad durch die Löcher, und der kleinste Nettoquerschnitt ist maßgebend.

Lesen Sie, was dieser Term tut. Eine gerade Lochreihe nimmt ihre volle Breite weg. Versetzt man die Löcher, muss der Risspfad schräg verlaufen, was länger ist, und die Norm gibt dafür s²/4g zurück. Zwei sehr verschiedene Werkstoffe, zwei sehr verschiedene Versagensarten, und beide Normen vergüten es, die Löcher nicht in eine Linie zu setzen.

Was im Holz tatsächlich versagt, hat vier Namen

„Eine Schwächungsebene“ ist die volkstümliche Fassung. Die Forschung zu Holzverbindungen unterscheidet mindestens vier spröde Versagensarten, und sie sind nicht dasselbe:

• Spalten — ein Riss entlang der Faser durch die Reihe, verursacht durch Zug rechtwinklig zur Faser.
• Reihenscheren (Reihenausriss) — zwei etwa parallele Schubrisse in Faserrichtung, die einen schmalen Streifen mit der Reihe herausreißen.
• Gruppenausriss — ein ganzer, von mehreren Reihen begrenzter Block wird herausgezogen; Blockscherversagen, wenn die Verbindungsmittel die volle Dicke durchdringen, Pfropfenscherversagen, wenn sie nur teilweise eindringen.
• Nettozugversagen — der Restquerschnitt zwischen den Löchern versagt quer zum Bauteil, nicht entlang der Reihe.

Für einen Scharnierflügel mit einer Reihe aus drei Schrauben ist die vertretbare Aussage eng: Schrauben in einer Linie entlang der Faser können das Spalten begünstigen, und wo nennenswerter Querschub vorliegt, ist auch ein Reihenscherpfad möglich. Von Blockscheren oder Gruppenausriss zu sprechen, wäre falsch; es gibt keinen von mehreren Reihen begrenzten Block.

Und es ist ein Risiko, keine Gewissheit. Es steigt mit Schrauben in Faserrichtung hintereinander, zu engen Abständen, fehlender Vorbohrung, trockenem Holz und spaltanfälligen Holzarten. Viele Schrauben in einer Linie spalten nie etwas.

Und dann sagt die Scharniernorm etwas anderes

Das ist der Teil, der diesen Artikel für uns neu ausgerichtet hat.

Die Lochbilder gewerblicher Scharniere sind nicht improvisiert. Sie werden für Schablonenscharniere durch ANSI/BHMA A156.7 festgelegt, und der erklärte Zweck dieser Norm ist maßliche Austauschbarkeit — damit jedes konforme Scharnier in jede Tür und jede Zarge passt, die nach derselben Schablone vorbereitet wurde. Die Norm behauptet nicht, der Versatz solle das Spalten des Holzes verhindern.

Beides kann zugleich stimmen, und es lohnt sich, es auseinanderzuhalten: Die mechanischen Vorteile des Versetzens sind real und anderswo normativ geregelt; das konkrete Lochbild vor Ihnen wurde genormt, damit Teile austauschbar sind. Wir konnten nicht belegen, dass die Holzmechanik der Hauptgrund dafür ist, wie ein bestimmtes Scharnier aussieht, und wir werden es nicht behaupten.

Die übertragbare Frage

Die nützliche Gewohnheit lautet hier nicht „immer versetzen“. Sie lautet: Wenn ein Muster gewollt aussieht, finden Sie heraus, welche Norm es festgelegt hat und worauf diese Norm optimiert hat. Manchmal ist es Festigkeit, und die Norm sagt Ihnen genau, wie viel sie wert ist — ein k_ef von 0,5, das wieder 1,0 wird, oder ein Term s²/4g. Manchmal ist es Austauschbarkeit, und die Mechanik ist ein glücklicher Nebeneffekt, auf den niemand hin konstruiert hat.

Was der Grundwerkstoff tun wird, ist die Frage hinter all dem. Siehe wenn das Bauteil nicht die Mutter sein kann und Schrauben für Kunststoff; die übergeordnete Reihenfolge der Entscheidungen steht in eine Schraube spezifizieren (englisch).

Quellen

• EN 1995-1-1:2004+A2:2014 — Eurocode 5, Abschnitt 8.3.1.1(8) und Tabellen 8.1, 8.2
• AISC 360, Abschnitt B4.3b — Nettobreite bei versetzten Lochketten
• EN 1993-1-1:2005+A1:2014, 6.2.2.2(4) — Abzug bei versetzten Löchern
• COST Action FP1402, Design of Connections in Timber Structures — spröde Versagensarten
• ANSI/BHMA A156.7 — Maße von Schablonenscharnieren
• “Why are screw holes in most of the door hinges in zigzag orientation?”, Engineering Stack Exchange

Diese Seite erklärt die Überlegungen hinter einer Konvention und wo die Bemessungsnormen sie quantifizieren. Werte für eine bestimmte Verbindung richten sich nach Ihrer Zeichnung und den darin genannten Normen.

Dieser Beitrag behandelt Schritt 1: Grundwerkstoff. Die vollständige Reihenfolge lautet Grundwerkstoff, Gewinde, Kopf, Antrieb, Oberfläche und Dokumentation. Warum eine andere Reihenfolge Nacharbeit verursacht, erläutert der englische Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Erlaubt Eurocode 5 kleinere Abstände, wenn Verbindungsmittel versetzt sind?

Nein. Das Versetzen lockert nicht den Mindestabstand zwischen Reihen. Abschnitt 8.3.1.1(8) hebt vielmehr die Abminderung der wirksamen Anzahl auf: Eine Nagelreihe parallel zur Faser wird sonst als n hoch k_ef angesetzt, wobei k_ef bei eng gesetzten, vorgebohrten Verbindungsmitteln bis auf 0,5 sinken kann. Ein Versatz rechtwinklig zur Faser um mindestens einen Durchmesser bedeutet, dass die Reihe voll zählt.

Warum interessieren sich Stahlbaunormen für versetzte Löcher?

Weil der Risspfad durch eine schräge Lochkette länger ist als durch eine gerade. AISC 360 Abschnitt B4.3b rechnet für jeden schrägen Abschnitt s Quadrat durch 4g zur Nettobreite hinzu, wobei s der Lochabstand in Stablängsrichtung und g der Abstand quer dazu ist. EN 1993-1-1 formuliert denselben Gedanken als Abzug. Man prüft jeden geraden und jeden Zickzackpfad, und der kleinste Nettoquerschnitt ist maßgebend.

Spalten Schrauben in einer geraden Linie das Holz?

Das können sie, und das Risiko steigt mit Schrauben in Faserrichtung hintereinander, zu engen Abständen, fehlender Vorbohrung, trockenem Holz und spaltanfälligen Holzarten. Eine Gewissheit ist es nicht. Die formalen Versagensarten sind verschieden: Spalten ist ein Riss entlang der Faser infolge Querzug, während beim Reihenscheren ein Streifen entlang der Verbindungsmittelreihe herausreißt. Eine einzelne Reihe aus drei Schrauben ist weder Gruppenausriss noch Blockscheren.

Sind Scharnierlöcher aus Festigkeitsgründen versetzt?

Nicht laut der Norm, die sie festlegt. ANSI/BHMA A156.7 regelt die Maße von Schablonenscharnieren, und ihr erklärter Zweck ist maßliche Austauschbarkeit, damit jedes konforme Scharnier in jede nach derselben Schablone vorbereitete Tür passt. Die mechanischen Vorteile des Versetzens sind real und in Holz- und Stahlbaunormen geregelt, wir konnten aber nicht belegen, dass sie der Grund für ein bestimmtes Scharnierlochbild sind.

Stimmt der Vergleich mit der Perforation von Toilettenpapier?

Als Bild ja, als Mechanismus nein. Perforiertes Papier reißt vor allem, weil der Nettoquerschnitt an der Perforation klein ist und die Kerben gewollt sind. Holzverbindungen versagen meist durch Zug rechtwinklig zur Faser oder Schub entlang der Faser, ein anderer Vorgang, der an einer äußerlich ähnlichen Stelle endet. Er eignet sich gut, um sich den Gedanken zu merken, und schlecht, um ihn zu erklären.