Schraubenverbindungen

Einführung

Schraubenverbindungen übertragen im Wesentlichen Kräfte von einem oder mehreren Bauteilen in andere Bauteile und weiter in die Fundamente. Sie tun dies durch Lochleibung, Zug und gelegentlich auch durch Reibung. Sie eignen sich für fast alle Arten von Verbindungen. Oftmals wird jedoch die resultierende Steifigkeit der Verbindung im globallen Modell nicht berücksichtigt, was manchmal nicht übersehen werden sollte. Schrauben gibt es in verschiedenen Größen (siehe unten) und Qualitäten (Schraubenmaterial), je nach Norm und Region. In einigen Ländern (die keine Million Meilen entfernt sind) gibt es sowohl metrische als auch imperiale Größen - was manchmal ein zweischneidiges Schwert sein kann! Ich habe auch entdeckt, dass es Apps für Smartphones und YouTube-Videos gibt, die Planern und Ingenieuren helfen...

Wenn ich mich an meine Vorlesungen über Tragwerke zurückerinnere, war eine der ersten Verbindungen, die wir untersuchten, eine "einfache" Schraubenverbindung, die wir an einem Beispiel für einen Stahlrahmen vornahmen. Um zu zeigen, wie lange das her ist, benutzten wir einen Bleistift und Millimeterpapier! Die anschließenden Berechnungen konnten nicht mehr als eine Seite A4-Papier einnehmen.

Wie sich die Dinge doch verändert haben!

Damals hätte ich mir nie vorstellen können, wie sich die Methoden und die Argumentation verändert haben - aber das ist ein anderes Thema, für einen anderen Tag und einen anderen Artikel.

Geschraubte Verbindungen

Die brennende Frage lautet: Kann eine Schraubenverbindung jemals als "einfach" angesehen werden, obwohl sie als solche beschrieben wird?

Am einfachsten lässt sich diese Frage beantworten, wenn man sich die Bemessungsschritte und Nachweise ansieht, die für eine "einfache" Stirnplattenverbindung erforderlich sind. Diese Schritte sind einem britischen Leitfaden des SCI entnommen - Veröffentlichung P358:

1. Empfohlene Verfahrensweise bei der Detaillierung
2. Träger - Schweißnähte
3. Träger - Schubspannung im Steg
4. Träger - Widerstand an einer Ausklinkung
5. Träger - lokale Stabilität
6. Träger - Gesamtstabilität des Trägers
7. Verbindung - Schraubengruppe
8. Verbindung - schubbeanspruchte Endplatte
9. Träger/Stütze - Schub und Lagerpressung (mit einem gestützten Träger)
10. Träger/Stütze - Schub und Lagerpressung (bei zwei gestützten Trägern)
11. Widerstand gegen progressiven Kollaps - Platte und Schrauben
12. Widerstand gegen progressiven Kollaps - Trägersteg
13. Widerstand gegen progressiven Kollaps - Schweißnähte
14. Widerstand gegen progressiven Kollaps - Stützensteg (I-Querschnitt)
15. Widerstand gegen progressiven Kollaps - Stützenwand (Hohlprofil)

Wie um alles in der Welt kann man diese "einfachen" Verbindungen noch als einfach bezeichnen? Es sind so viele Nachweise zu erbringen, dass sie mit Bleistift und Millimeterpapier nicht mehr zu bewältigen sind! Das erste Mal, dass Schrauben überhaupt erwähnt werden, ist in Schritt 7, aber ohne all die anderen Schritte kann der Verbindungsentwurf nicht zufriedenstellend sein.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Entwürfe zu erstellen, aber viele Optionen vereinfachen den Prozess zu sehr, indem sie ein enges Fenster der Anwendbarkeit zulassen oder wichtige Effekte ignorieren. Viele Unternehmen haben sich für eine Reihe von Tabellenkalkulationen entschieden, was jedoch auch Bedenken hinsichtlich der Überprüfung und der Aktualität der Tabellen aufwirft.

Ich erinnere mich auch noch daran, wie ich die Schnittgrößen auf einer Zeichnung auf der Grundlage von Querkraft allein und einer Lastkombination aufschrieb - immer für den Stahlbauer, der die Verbindung konstruierte :-). Diese Zeiten sind definitiv vorbei. Aber viel zu viele Ingenieure versuchen, die alten Methoden beizubehalten und mischen den alten Ansatz mit modernen Normen und Methoden - was zu schlechten, ineffizienten, überdimensionierten Verbindungen führt.

Vor- und Nachteile von Schraubenverbindungen

Schraubenverbindungen sind großartig, da sie relativ einfach zu installieren, zu warten und zu überprüfen sind. Sie sind möglicherweise nicht so billig herzustellen, wie Sie denken, da sie mehr Material erfordern, Schraubenlöcher haben (die mehr kosten) und größere Spannungskonzentrationen verursachen können. Sie können auch zu Problemen auf der Baustelle führen (ich spreche hier aus Erfahrung), wenn die falschen Schrauben (oder keine Schrauben) mit dem Träger geliefert werden. In manchen Situationen können sie dem Konstrukteur eine gewisse Erleichterung bieten, da eine Schraubenverbindung (wenn sie korrekt ausgeführt wird) immer eine gewisse zusätzliche Kapazität aufweist. Keine Verbindung ist jedoch unfehlbar! Viele Ausfälle wurden auf mangelhafte Schraubendetails zurückgeführt - verkehrt herum eingesetzt / falsche Schraubenmontage für den vorgesehenen Verwendungszweck. Es ist daher sehr wichtig, die Regeln für die Detaillierung zu berücksichtigen, und alle besonderen Maßnahmen sollten in den Produktions-/Montagezeichnungen/Informationen vermerkt werden.

Der Versuch, den Prozess zu vereinfachen, indem man eine "einfache" Verbindung wählt, kann oft zu einer teureren Verbindung in der Herstellung führen. Es ist möglicherweise an der Zeit, die Materialkosten und den CO₂-Ausstoß stärker zu berücksichtigen als die Konstruktionskosten...

Umgekehrt werden Schraubenverbindungen immer komplizierter - entweder aufgrund der Geometrie oder der angewandten Belastung oder beidem - und damit noch schwieriger zu konstruieren und zu prüfen. Ein einfacher Ansatz, möglicherweise durch Aufteilung einer komplizierten Verbindung in einfachere Teile, wird nicht funktionieren.

Fallstricke bei der Konstruktion

Es gibt viele mögliche Probleme, die sich aus den oben aufgeführten Bemessungsschritte ergeben können, aber das bei weitem häufigste Problem, das wir in unserem Helpdesk sehen, sind "überraschende" Zugkräfte in den Schrauben, obwohl keine solche Kraft auf die Schraube einwirkt.

Woher kommen diese Zugkräfte und Zugspannungen? Ich würde Sie darauf verweisen, sich mit den Abstützkräften zu befassen, die von flexiblen Platten in Ihrer Verbindung ausgehen. Diese können manchmal größer sein als die Querkraftkomponenten! Nebenbei bemerkt: Wenn Sie sehen wollen, wie sich dies auf Ihre Konstruktion auswirken kann, versuchen Sie, Ihr Stahlmaterial um mehrere Größenordnungen zu erhöhen, und (wenn Sie dies schrittweise tun) können Sie feststellen, dass sich die Schraubenkräfte mit abnehmender Flexibilität dem "erwarteten" Ergebnis annähern.

Ein weiterer Aspekt, der bei Schraubenverbindungen auftreten kann, ist, wenn vorgespannte Schrauben erforderlich sind. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf den Entwurfsansatz, sondern auch auf die Bauarbeiten. Die Prüfung und Zertifizierung solcher Schrauben auf der Baustelle ist problematisch und teuer. Als junger Ingenieur wurde mir gesagt, ich solle diese Verbindungen möglichst vermeiden - ich frage mich, warum?

Eine Schraube geht normalerweise durch ein Schraubenloch. Diese werden als Durchgangslöcher bezeichnet. Mit zunehmendem Bolzendurchmesser nimmt auch der Durchmesser des Durchgangslochs zu (oder sollte es zumindest). Außerdem sollten die Durchgangslöcher vergrößert werden, wenn ein Material oder eine Oberflächenbehandlung angewendet wird - die Galvanisierung ist hier ein gutes Beispiel.

Wie ich zu Beginn dieses Artikels erwähnte, ging ich von einer Schnittgröße aus einer einfachen Lastkombination aus, die in der Regel berechnet und dann aufgerundet wurde. Dies könnte sogar auf der Grundlage der Größe eines Bauteils und seiner Kapazität tabelliert worden sein. Dieser Ansatz wird auch heute noch in vielen Ländern verwendet und kann zu Problemen bei der Bemessung von Verbindungen führen. Das Problem liegt in der Ausgewogenheit zwischen der Konstruktion und den daraus resultierenden Details. Die Tragwerksplanung hat sich weiterentwickelt, ebenso wie die verwendete Software. Man könnte sogar behaupten, dass ein Bauwerk ohne Software nicht (effizient) entworfen werden kann. Wie kann man all diese Software am besten für die Modellierung und die Bemessung von Schraubenverbindungen nutzen?

Der CBFEM-Ansatz

Wie nutzen wir bei IDEA StatiCa die Technologie hinter CBFEM? Diese Methode ist in IDEA StatiCa Connection integriert. Schrauben werden als nichtlineare Federn behandelt. Dies ermöglicht es, jede beliebige Verbindungsgeometrie mit jeder beliebigen Belastung zu modellieren, zu berechnen und nachzuweisen. Zusätzlich können die Stabilität und andere Effekte überprüft werden - schließlich ist es unwahrscheinlich, dass der "einfache" Ansatz gut genug ist!

Eines der häufig angeführten Argumente ist, dass dies ein "Vorschlaghammer, um eine Walnuss zu knacken" Ansatz ist. In den neuesten Versionen machen wir es jedoch noch einfacher, einfache Verbindungen zu modellieren und nachzuweisen, indem wir KI, visuelle Programmierung und API-Erweiterungen einsetzen und die Leistung unserer Computer nutzen, um die Geld- und CO₂-Kosten für einfache Verbindungen zu senken.

Hinzu kommt die Möglichkeit, die Lasteinwirkungen/Verbindungen aus mehreren großen FEA/BIM-Lösungen von Anbietern wie Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek usw. zu extrahieren, was sich wirklich auf die Effizienz und Genauigkeit auswirkt, da die Lasteinwirkungen oder die Verbindung selbst über Checkbot an IDEA Connection übergeben werden - eine Art Drehscheibe für den nahtlosen Informationsaustausch zwischen verschiedenen Lösungen.

IDEA StatiCa Connection ist das Beste aus beiden Welten! Es liefert Ihnen genaue, präzise Ergebnisse, die gemäß der Norm nachgewiesen werden.

Eines ist sicher, ich werde nie wieder eine Schraubenverbindung als einfach betrachten!