Eine lose Schraube macht keine schwache, sondern eine andere Verbindung

Das Dokument ist eine Stahlbauspezifikation für Gebäude und Brücken. Es handelt sich um die RCSC-Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts vom 11. Juni 2020, 118 Seiten, vollständig kostenlos verfügbar. Sie sagt nichts über Fahrzeuge, und ihre Zahlen werden hier auf keines angewandt. Zitiert wird sie, weil sie etwas tut, was kaum ein anderes frei zugängliches Dokument leistet: Sie definiert beide Arten scherbeanspruchter Verbindungen nebeneinander in einem Glossar.

Auch das Fahrwerk auf dem Foto, das wir nicht persönlich gesehen haben, wird hier nicht diagnostiziert; kein Fahrzeug wird genannt.

Zwei Definitionen in einem Glossar

Hier stehen sie mit den eigenen Worten der Spezifikation.

Gleiche Schrauben, gleiche Bohrungen, gleiche Bleche. Der Unterschied ist der Lastpfad. Einmal läuft die Last als Reibung zwischen zwei geklemmten Flächen durch die Verbindung, ohne die Schraube auf Scherung zu beanspruchen. Im anderen Fall gleiten die Bleche, bis Metall auf Metall trifft; der Schaft überträgt die Last über den Spalt, die Bohrungswand in das Blech.

Auch die entscheidende Größe ist definiert. Der mittlere Gleitbeiwert ist “the ratio of the frictional shear load at the faying surface to the total normal force when slip occurs”. Reibungsscherlast geteilt durch Normalkraft. Keine Normalkraft, keine Reibungslast.

Die Gleichung sagt es deutlicher als jeder Satz

Abschnitt 5.4 nennt den nominellen Gleitwiderstand je Schraube. Die Terme zu lesen ist das ganze Argument.

• µ, mittlerer Gleitbeiwert aus dem Oberflächenzustand
• D_u, 1,13 für Gebäude und 1,00 für Brücken
• h_f, Zwischenlagenbeiwert 1,0 oder 0,85
• T_m, Mindestvorspannkraft der Schraube
• n_s, Anzahl der Gleitflächen
• k_sc, Abminderung, wenn dieselben Schrauben auch äußeren Zug tragen

Alle werden miteinander multipliziert. Die folgende Aussage ist unsere Lesart der Rechnung, kein Satz der Norm; die Rechnung ist jedoch eindeutig: Der Gleitwiderstand ist direkt proportional zur Vorspannkraft. Halbiert man die Vorspannkraft, halbiert sich der Gleitwiderstand. Bei null bleibt nichts übrig.

Eine nicht angezogene Verbindung verhält sich deshalb nicht wie eine etwas schlechtere feste Verbindung. Sie hat die Kategorie gewechselt. Nun gelten die Bemessungskriterien der anderen Definition, ohne dass jemand sie gewählt hätte.

Wie weit sie sich bewegt, bevor die Schraube die Bohrung berührt

Der Kommentar zu Abschnitt 4.1 beantwortet die Frage, die das Foto aufwirft, mit einer Zahl.

Wie groß ist das Spiel? Tabelle 3.1 gibt die Nennmaße der Bohrungen; die folgenden Spiele sind unsere Subtraktion.

Von 1/2 bis 7/8 in beträgt das Standardspiel 1/16 in; bei 1 in verdoppelt es sich auf 1/8 in und bleibt dort. Dass es sich in einem Tabellenschritt verdoppelt, ist unsere Feststellung; die Norm druckt nur die Bohrungsdurchmesser.

Für eine 3/4-in-Schraube in einer Standardbohrung ergibt sich: Spiel 1/16 in. Das theoretische maximale Gleiten, das Doppelte, beträgt 1/8 in, etwa 3,2 mm. Beobachtet wird etwa das halbe Spiel, also 1/32 in, rund 0,8 mm. In einer Übermaßbohrung verdreifacht sich das Spiel derselben Schraube; das theoretische maximale Gleiten beträgt dann 3/8 in, etwa 9,5 mm.

Wenige Millimeter trennen eine tragende Verbindung von einer, in der der Schaft an der Bohrungswand liegt. Der Kommentar ergänzt, dass dies oft schon vor jeder Belastung eintritt: “Acceptable inaccuracies in the location of holes within a pattern of bolts usually cause one or more bolts to be in bearing in the initial, unloaded condition.”

Die Oberfläche leistet mehr als die Schraubenklasse

Der andere wichtige Term ist µ, denn er ist keine Eigenschaft des Verbindungselements. Die Spezifikation nennt zwei Werte.

• Klasse A, µ = 0,30. Unlackierte, saubere Stahloberflächen mit Walzhaut, Oberflächen mit Klasse-A-Beschichtungen auf gestrahltem Stahl oder feuerverzinkte Oberflächen
• Klasse B, µ = 0,50. Unlackierte gestrahlte Stahloberflächen oder Oberflächen mit Klasse-B-Beschichtungen auf gestrahltem Stahl

Klasse B ist fünf Drittel von Klasse A; diese Division stammt von uns. Das Strahlen der Kontaktflächen bringt somit rund zwei Drittel mehr Gleitwiderstand als verbleibende Walzhaut. An der Schraube ändert sich nichts. Feuerverzinkte Oberflächen stehen ausdrücklich in Klasse A, nicht B.

Zum zweiten Mal innerhalb einer Woche erweist sich die Kontaktfläche statt der hindurchgeschraubten Hardware als entscheidend. Das andere Beispiel war eine Potentialausgleichsnorm, die Fächerscheiben verbietet, weil der Strom an den vorbereiteten Flächen übertritt und das Verbindungselement nur den Druck hält. Gleiche Geometrie, zwei Aufgaben; in beiden Fällen liefert die Schraube Klemmkraft, statt selbst die Arbeit zu verrichten.

Wo handfestes Anziehen nicht mehr zulässig ist

Handfest angezogene Verbindungen sind standardmäßig zulässig. Abschnitt 4.2 nennt dann die Fälle mit vorgeschriebener Vorspannung, Abschnitt 4.3 die Fälle für gleitfeste Verbindungen. Zwei Einträge sind für jede bewegte Konstruktion bemerkenswert.

• Vorgespannte Verbindungen sind erforderlich bei erheblicher Lastumkehr und bei Ermüdungsbelastung ohne Umkehr der Belastungsrichtung
• Gleitfeste Verbindungen sind erforderlich bei Ermüdungsbelastung mit Umkehr der Belastungsrichtung, Übermaßbohrungen, den meisten Langlöchern sowie wenn Gleiten an den Kontaktflächen die Funktion der Konstruktion beeinträchtigen würde

Der Kommentar erklärt den ersten Fall in einem Satz: Verbindungen unter wechselnder Ermüdungslast “must be slip-critical joints since slip may result in back and forth movement of the joint and have potential for accelerated fatigue failure”. Hin- und Herbewegung. Nicht einmaliges Gleiten bis zur Lochleibung, sondern eine Verbindung, die die Bohrungswand erreicht, zurückläuft und erneut anschlägt.

Das ist der Mechanismus auf dem Foto und erklärt, warum die Bohrung statt der Schraube beschädigt wurde. Was handfestes Anziehen in dieser Spezifikation bedeutet, behandelt eine andere Seite und wird hier nicht wiederholt.

Eine gewachsene Bohrung ist eine andere Bohrung

Zwei weitere Bestimmungen schließen den Kreis. Der Bohrungstyp ist nicht nur eine Beschreibung; er hat einen Preis: Die Widerstandsbeiwerte unterscheiden sich.

Zwei Beobachtungen, beide von uns: Erstens kostet ein langes Langloch gegenüber einer Standardbohrung dreißig Prozent Gleitwiderstand. Zweitens sind die Beiwerte der zulässigen Spannung genau 1,50 geteilt durch die Lastbeiwerte: 1,50 ÷ 0,85 = 1,7647, gedruckt 1,76, und 1,50 ÷ 0,70 = 2,1429, gedruckt 2,14. Zwei Zeilen, zwei genaue Treffer. Die Norm nennt den Zusammenhang nicht.

Der Kommentar zu Tabelle 3.1 macht die Folge einer zu großen Bohrung ausdrücklich: “When the dimensions of bolt holes are such that they exceed these permitted variations, the bolt hole must be treated as the next larger type.” Eine gewachsene Bohrung ist keine Standardbohrung mit Anmerkung. Sie ist eine Übermaßbohrung mit entsprechender Abminderung; wächst sie weiter, wird sie zum Langloch.

Was daraus folgt

• Der Gleitwiderstand ist proportional zur Vorspannkraft. Sie ist ein Multiplikator der Gleichung; null Vorspannkraft ergibt daher null statt nur verminderten Gleitwiderstand
• Eine Verbindung ohne Vorspannkraft ist ein anderer Bemessungsfall, bestimmt durch Scherfestigkeit der Schrauben und Lochleibungsfestigkeit des verbundenen Werkstoffs
• Der Weg bis zur Bohrungswand ist kurz. Theoretisch sind es zweimal das Spiel, beobachtet etwa die Hälfte; eine 3/4-in-Schraube in einer Standardbohrung hat theoretisch rund 3,2 mm und praktisch weniger als einen Millimeter Weg
• Das Standardspiel beträgt bis 7/8-in-Schrauben 1/16 in und verdoppelt sich bei 1 in auf 1/8 in
• Die Kontaktfläche überträgt die Reibung, nicht die Schraube. Gestrahlt ergibt 0,50, Walzhaut 0,30; feuerverzinkt gehört zur niedrigeren Klasse
• Bei wechselnder Ermüdungsbelastung endet die Zulässigkeit einer handfest angezogenen Verbindung, weil Gleiten zur Hin- und Herbewegung wird
• Eine über die Toleranz gewachsene Bohrung wird als nächstgrößerer Typ eingestuft, und jede Stufe kostet Gleitwiderstand
• Keine dieser Zahlen gehört zu einem Fahrzeug. Es ist eine Stahlbauspezifikation, die wegen ihrer Begründung, nicht wegen ihrer Zahlen zitiert wird

Die Schrauben auf dem Foto übertrugen die Last nie wie beabsichtigt. Sie waren Stifte in leicht übergroßen Bohrungen, und der Rahmen war der weichere der beiden Kontaktpartner.

Diese beiden Kategorien gab es nicht immer. Die Spezifikation erschien 1951 als Regel, eine Schraube anstelle eines Niets zu setzen, wobei jede Verbindung auf blankem Stahl vorgespannt wurde; die Aufteilung in Arten folgte drei Jahre später.

Manchmal soll sich eine Verbindung bewegen; dann sieht die Spezifikation völlig anders aus: Eine US-Bundesvorschrift verlangt, Schrauben so anzuziehen, dass die Teile noch gleiten können, und erwähnt kein Drehmoment.

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

Warum beschädigt eine nicht angezogene Schraube die Bohrung, statt nur weniger Last zu tragen?

Weil die Verbindung ihre Kategorie wechselt. In der RCSC-Spezifikation ist der Gleitwiderstand das Produkt aus Gleitbeiwert, Vorspannkraft und weiteren Faktoren. Ohne Vorspannkraft gibt es keinen Gleitwiderstand. Die Bleche gleiten, bis der Schaft die Bohrungswand berührt; der Lastpfad wird zu Schraubenscherung und Lochleibung im verbundenen Werkstoff.

Wie weit kann eine Schraubenverbindung gleiten?

Laut Kommentar zu Abschnitt 4.1 beträgt das Maximum theoretisch zweimal das Bohrungsspiel; Labor- und Felderfahrung zeigen praktisch etwa das halbe Spiel. Bei einer 3/4-in-Schraube in einer Standardbohrung beträgt das Spiel 1/16 in, also theoretisch etwa 3,2 mm und beobachtet weniger als einen Millimeter.

Wie groß ist das Spiel einer Standardbohrung?

Nach unserer Subtraktion aus Tabelle 3.1 beträgt es für Schrauben von 1/2 bis 7/8 in 1/16 in und ab 1 in 1/8 in. Übermaßbohrungen ergeben 1/8 in bei 1/2 in, 3/16 in von 5/8 bis 7/8 in, 1/4 in bei 1 in und darüber 5/16 in.

Was ist eine gleitfeste Verbindung?

Die Spezifikation definiert sie als Verbindung unter Scherung oder kombinierter Scherung und Zug, deren Schrauben Vorspannkraft — als Klemmkraft auf den Kontaktflächen — erzeugen und deren vorbereitete Kontaktflächen einen berechenbaren Gleitwiderstand bieten. Dem steht die Scher-/Lochleibungsverbindung gegenüber, die nach Scherfestigkeit der Schrauben und Lochleibungsfestigkeit der verbundenen Werkstoffe bemessen wird.

Ändert die Oberfläche die Tragfähigkeit?

Beim Gleitwiderstand ja, erheblich. Der mittlere Gleitbeiwert ist 0,30 für Klasse A mit sauberer Walzhaut oder feuerverzinkten Oberflächen und 0,50 für Klasse B mit unlackiertem gestrahltem Stahl oder Klasse-B-Beschichtungen darauf. Nach unserer Division ist Klasse B fünf Drittel von Klasse A, ohne Änderung der Schraube.

Wann verlangt die Spezifikation Vorspannung statt handfestem Anziehen?

Abschnitt 4.2 verlangt vorgespannte Verbindungen, wenn die maßgebende Vorschrift es fordert, bei erheblicher Lastumkehr, Ermüdung ohne Richtungsumkehr, Garnituren der Gruppe 120 unter Zugermüdung sowie Garnituren der Gruppe 144 oder 150 unter Zug oder kombinierter Scherung und Zug.

Warum muss eine Verbindung unter wechselnder Ermüdungslast gleitfest sein?

Der Kommentar sagt, sie müsse gleitfest sein, weil Gleiten eine Hin- und Herbewegung und damit beschleunigtes Ermüdungsversagen verursachen kann. Einmaliges Gleiten legt die Schraube an die Bohrung; wechselnde Last führt sie zurück und wieder hin.

Was geschieht, wenn eine Schraubenbohrung größer als zulässig ist?

Laut Kommentar zu Tabelle 3.1 muss sie als nächstgrößerer Typ behandelt werden. Das ist nicht nur Dokumentation: Der Widerstandsbeiwert fällt von 1,00 für eine Standardbohrung auf 0,85 für eine Übermaßbohrung und 0,70 für ein langes Langloch.

Gilt dies für ein Auto oder eine Maschine?

Nicht unmittelbar, und diese Seite behauptet es nicht. Die RCSC-Spezifikation gilt für Stahlbauverbindungen in Gebäuden und Brücken. Sie wird zitiert, weil sie den Unterschied zwischen Reib- und Lochleibungsverbindung besonders klar formuliert und vollständig frei zugänglich ist.

Quellen

• RCSC, Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, 11 June 2020. Vollständig, 118 Seiten, kostenlos. Glossar, Tabelle 3.1, Abschnitte 4.1 bis 4.3 und 5.4
• r/Justrolledintotheshop, wo ein Foto nicht angezogener Querlenkerschrauben und ihrer Schäden die Frage auslöste

Die RCSC-Spezifikation wurde vollständig gelesen; sie ist als kostenloser Download mit 118 Seiten verfügbar. Sie ist eine Stahlbauspezifikation für Gebäude und Brücken. Sie gilt nicht für Fahrzeuge, Maschinen oder anderes; keine Zahl dieser Seite darf darauf übertragen werden. Zitiert wird ihre Trennung der beiden Arten scherbeanspruchter Verbindungen, nicht ihre Zahlen. Wir diagnostizieren das Fahrwerk auf dem Forumfoto, das wir nicht gesehen haben, nicht; Marke und Modell werden nicht genannt. Folgendes sind unsere Rechnungen oder Lesarten, keine Aussagen der Spezifikation: die direkte Proportionalität des Gleitwiderstands zur Vorspannkraft und damit sein Nullwert ohne sie aus der Vorspannkraft als Multiplikator in Gleichung 5.6; das Verhältnis fünf Drittel zwischen Klasse B und A; die durch Subtraktion von Schrauben- und Nennbohrungsdurchmesser aus Tabelle 3.1 bestimmten Spiele und deren Verdopplung von 1/16 auf 1/8 in bei 1 in; die Gleitwege für eine 3/4-in-Schraube; und die exakte Beziehung, dass die Beiwerte der zulässigen Spannung 1,50 geteilt durch die Lastbeiwerte sind. Gleichung 5.6, ihre Gleitbeiwerte und Tabelle 3.1 wurden an gerenderten Bildern der Druckseiten statt an extrahiertem Text geprüft. Die Mindestvorspannkräfte aus Tabelle 5.2 werden nicht wiedergegeben, weil sie hier nicht benötigt werden und besonders leicht aus dem Zusammenhang gerissen werden. Auch die übliche Beziehung zwischen Vorspannkraft und Spannungsquerschnitt wird nicht angeboten, da zur Prüfung Gewindesteigungen und eine Flächenformel nötig wären, die dieses Dokument nicht enthält. AISC 360, EN 1090 und ASTM F3125 wurden nicht gelesen. Wir haben den Forumsbeitrag, nicht seine Antworten gelesen. Was handfestes Anziehen in dieser Spezifikation bedeutet und wie das Drehwinkelverfahren funktioniert, behandelt eine frühere Seite und wird nicht wiederholt.