Auswahl von Schrauben und Muttern für Stahlbauverbindungen: Ein technischer Leitfaden

Der Stahlbau erfordert Verbindungselemente, die immense Lasten übertragen, Scherkräften und Zugkräften widerstehen und ihre Stabilität unter dynamischen Bedingungen wie Wind oder Erdbeben gewährleisten können. Herkömmliche Schrauben reichen nicht aus; spezielle hochfeste Konstruktionsschrauben in Kombination mit präzise passenden Muttern sind unerlässlich. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht der wichtigsten Typen und zu beachtenden Aspekte:

1. Hochfeste Konstruktionsschrauben (ASTM A325 & ASTM A490 / F3125 Güteklassen A325 & F1852/F2280):

Der Goldstandard: Dies sind die gebräuchlichsten und wichtigsten Verbindungselemente für primäre Tragwerksverbindungen (Träger-Stützen-Verbindungen, Stützenstöße, Aussteifungen usw.).

Material & Festigkeit: Hergestellt aus mittelgekohltem Stahl (A325) oder legiertem Stahl (A490), wärmebehandelt, um eine sehr hohe Zugfestigkeit zu erreichen.

ASTM A325 (F3125 Güteklasse A325): Mindestzugfestigkeit von 120 ksi (825 MPa). Geeignet für die meisten allgemeinen Konstruktionsanwendungen.

ASTM A490 (F3125 Güteklassen F1852 [Drehverschraubung] & F2280 [Sechskant]): Mindestzugfestigkeit 150 ksi (1035 MPa). Wird verwendet, wenn höhere Festigkeit erforderlich ist oder kleinere Schraubengrößen zur Platz-/Gewichtsersparnis gewünscht sind. Wichtig: A490-Schrauben sind anfällig für Wasserstoffversprödung und dürfen nicht verzinkt werden.

Montageverfahren – Der entscheidende Unterschied: Diese Schrauben werden mit einer bestimmten Mindestvorspannung montiert. Diese Vorspannung:

Klemmt die verbundenen Stahlplatten fest zusammen.

Erzeugt eine erhebliche Reibung zwischen den Platten („gleitkritische“ Verbindungen), wodurch Scherkräfte primär durch diese Reibung und nicht durch Bolzenscherung/Lagerung übertragen werden.

Verringert die Anfälligkeit für Materialermüdung durch Minimierung von Spannungsschwankungen im Bolzen.

Gewährleistet Gelenksteifigkeit und -integrität.

Vorladen erreichen:

Kalibriertes Anziehen: Verwendung eines Drehmomentschlüssels, bei dem ein berechnetes Drehmoment auf Basis der Schmierfähigkeit der Schraube und der gewünschten Spannung angewendet wird.

Methode mit der Mutterdrehung: Die Schraube handfest anziehen (fester Kontakt), dann die Mutter je nach Schraubenlänge und Verbindungskonfiguration um einen bestimmten Bruchteil einer Umdrehung weiterdrehen (z. B. 1/2, 2/3 Umdrehung).

Direkte Spannungsindikatoren (DTIs): Unterlegscheiben mit Vorsprüngen, die sich beim Anziehen der Schraube vorhersehbar abflachen und so einen visuellen oder messbaren Hinweis auf die erreichte Last geben.

Drehspannschrauben (TC-Schrauben – ASTM F1852): Sie verfügen über ein Keilwellenende, das bei präzise kalibrierter Spannung abscheren kann, wenn ein spezieller elektrischer Scherschlüssel verwendet wird. Aufgrund ihrer Schnelligkeit und Zuverlässigkeit ist dies die gängigste moderne Methode.

Anforderung an die Mutter: Es muss eine hochfeste Sechskantmutter (ASTM A563) der entsprechenden Güteklasse und Oberflächenbeschaffenheit verwendet werden (z. B. A563 Güteklasse DH für A325-Schrauben, A563 Güteklasse DH3 für A490-Schrauben). Hochfeste Sechskantmuttern sind dicker und stabiler als Standard-Sechskantmuttern, um den hohen Montagekräften standzuhalten, ohne sich zu verformen oder zu beschädigen.

2. Nicht vorgespannte Schrauben (ASTM A307 - Eingeschränkte Verwendung):

Material: Kohlenstoffarmer Stahl.

Festigkeit: Deutlich geringere Zugfestigkeit (60 ksi / 415 MPa) als A325/A490Die

Anwendung: Beschränkt auf sekundäre Bauteile, leichte Aussteifungen, Pfetten, Riegel, temporäre Verbindungen oder Verbindungen, bei denen ein Gleiten zulässig ist („rollentragende“ Verbindungen). Nicht für primäre tragende Verbindungen in bedeutenden Bauwerken verwenden. Scherkräfte werden durch Bolzenscherung und Auflagerwirkung gegen die Lochwände übertragen.

Montage: Nur handfest anziehen (mit vollem Kraftaufwand eines Arbeiters und einem Spund-/Spike-Schlüssel). Keine spezielle Vorspannung erforderlich.

Anforderungen an die Muttern: Üblicherweise werden Standard-Sechskantmuttern (ASTM A563 Güteklasse A oder C) verwendet. Schwere Sechskantmuttern sind nicht erforderlich.

3. Passende Muttern (ASTM A563) – Kritische Kompatibilität:

Festigkeitsklasse: Die Festigkeitsklasse der Mutter muss mindestens der Festigkeitsklasse der Schraube entsprechen. Die Verwendung einer Mutter mit niedrigerer Festigkeitsklasse stellt eine kritische Fehlerquelle dar.

A325-Schrauben: Verwenden Sie Muttern der Güteklasse A563 DH (Kohlenstoff), D (mittelkohlenstoff) oder DH3 (Legierung).

A490-Schrauben: Es müssen Muttern der Güteklasse A563 DH3 (legierter Stahl) verwendet werden. Die Verwendung von Muttern aus Kohlenstoffstahl (DH/D) mit A490-Schrauben birgt die Gefahr des Überdrehens der Mutter.

A307-Schrauben: Verwenden Sie Sechskantmuttern der Güteklasse A (Kohlenstoff) oder C (mittelkohlenstoff).

Ausführung: Hochfeste Schrauben (A325/A490) benötigen verstärkte Sechskantmuttern (dicker, breitere Schlüsselweite), um ausreichend Auflagefläche und Festigkeit für die Vorspannung zu gewährleisten. A307-Schrauben verwenden üblicherweise Standard-Sechskantmuttern.

Hinweis: Die Muttern müssen zum Korrosionsschutzsystem der Schraube passen (siehe unten), um galvanische Korrosion zu verhindern.

4. Unterlegscheiben (ASTM F436 / F959 / F844):

Unterlegscheiben aus gehärtetem Stahl: Bei Schrauben der Größen A325 und A490, die in übergroße oder Langlöcher eingesetzt werden, sind sie sowohl unter dem Schraubenkopf als auch unter der Mutter obligatorisch. Bei der Anwendung des „Turn-of-Nut“-Verfahrens werden sie ebenfalls unter dem Drehelement (Kopf oder Mutter) benötigt. Sie verteilen die Klemmkraft, verhindern Beschädigungen des verbundenen Materials und gewährleisten eine reibungslose Drehung beim Anziehen.

Direkte Spannungsindikatoren (DTIs - ASTM F959): Dienen als spezielle Unterlegscheiben, um die erreichte Schraubenspannung anzuzeigen.

Flachscheiben (ASTM F844): Werden unter dem Kopf oder der Mutter von A307-Schrauben verwendet, hauptsächlich um übergroße Löcher zu überbrücken oder weiche Materialien zu schützen.

5. Korrosionsschutz:

Unbehandelt (schwarz): Einfache Walzzunderung. Muss nach der Installation zum Korrosionsschutz lackiert werden. Günstigste Option.

Feuerverzinkt (HDG – ASTM F2329): Bietet hervorragenden Langzeit-Korrosionsschutz für A325-Schrauben und passende Muttern/UnterlegscheibenWichtig: A490-Schrauben dürfen aufgrund der Gefahr der Wasserstoffversprödung nicht feuerverzinkt werden. F1852-TC-Schrauben sind üblicherweise feuerverzinnt.

Mechanisch verzinkt: Die Zinkschicht wird mechanisch aufgebracht. Sie ist dünner als feuerverzinkt, vermeidet aber Wasserstoffprobleme bei A490. Wird häufig für A490 spezifiziert, wenn Korrosionsschutz erforderlich ist.

Zinkreiche anorganische Beschichtungen (z. B. Geomet): Dünne, gleitfähige Beschichtungen mit guter Korrosionsbeständigkeit und gleichbleibendem Drehmoment-Vorspannungs-Verhältnis. Geeignet für A325 und A490.

Auswahlübersicht:

Primäre Strukturverbindungen (Momentrahmen, Streben, Stöße): Schrauben nach ASTM A325 (F3125 Gr A325) oder ASTM A490 (F3125 Gr F1852/F2280) + Sechskantmuttern nach ASTM A563 (Güteklasse DH/DH3) + Unterlegscheiben nach ASTM F436 (oder DTIs nach F959). Die Montage erfolgt mit dem kalibrierten Schraubenschlüssel, durch Drehen der Mutter oder (vorzugsweise bei A325) durch Abschrauben (F1852) bis zur vorgegebenen Vorspannung.

Sekundäre Bauteile / Leichte Aussteifung / Nicht kritisch: Schrauben nach ASTM A307 + ASTM A563 Standard Sechskantmuttern (Klasse A/C) + ggf. ASTM F844 Unterlegscheiben. Fest anziehen.

Korrosion: Wählen Sie den Korrosionsschutz (HDG für A325/F1852, mechanische Verzinkung/Beschichtung für A490) und stellen Sie sicher, dass alle Komponenten (Schraube, Mutter, Unterlegscheibe) die gleiche Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.

Fazit: Die Stabilität einer Stahlkonstruktion hängt maßgeblich von der Verwendung hochfester Schrauben (A325/A490) mit präzise passenden Sechskantmuttern (A563 DH/DH3) und gehärteten Unterlegscheiben ab, die bei kritischen Verbindungen unter kontrollierter Spannung montiert werden. Schrauben der Güteklasse A307 mit Standardmuttern sind für nicht kritische Anwendungen vorgesehen. Nicht aufeinander abgestimmte Bauteile oder unsachgemäße Montage stellen erhebliche Sicherheitsrisiken dar. Die strikte Einhaltung der relevanten Normen (AISC, RCSC, ASTM) ist unerlässlich.