Schraubverbindungen in der Stahlhalle: warum dieselbe M20 27 oder 69 kN hält

Die Schraube ist das billigste Teil der Halle und das einzige, das jemand auf der Baustelle von Hand anzieht. Deshalb ist sie auch die Stelle, an der am meisten schiefgeht — nicht in der Berechnung, sondern in dem, was danach passiert. Dieselbe M20 der Festigkeitsklasse 10.9 überträgt in derselben Verbindung 27 kN oder 69 kN, abhängig allein davon, wie die Kontaktflächen der Bleche vorbereitet wurden. Der Unterschied liegt nicht in der Schraube, nicht im Stahl und kostet fast nichts — und niemand erwähnt ihn. Dies ist ein Leitfaden durch das, was im Hallenangebot meist als ein einziges Wort steht: „geschraubt“.

Fünf Verbindungskategorien, zwei Philosophien

EN 1993-1-8 teilt Schraubverbindungen in fünf Kategorien ein. Drei für Abscheren — A, B und C — und zwei für Zug, D und E. Der Unterschied liegt nicht in der Zahl der Schrauben, sondern darin, wie die Verbindung die Kraft überhaupt überträgt.

Die praktische Folge: Kategorie A lässt eine Verschiebung zu, die dem Lochspiel entspricht. Für M20 beträgt das Nennlochspiel 2 mm — eine Verbindung, die erst trägt, nachdem sich die Bleche um 2 mm verschoben haben, verhält sich anders als eine vorgespannte. An einer einzelnen Verbindung stört das niemanden. An einem Rahmen mit zehn Verbindungen in Reihe summieren sich die Verschiebungen, und die Halle wird weicher, als der Tragwerksplaner gerechnet hat.

Vorspannung: die Schraube überträgt keine Kraft, sie presst

Eine vorgespannte Schraube wirkt nicht wie ein Bolzen im Loch. Sie presst die Bleche so stark zusammen, dass die Kraft durch Reibung zwischen den Kontaktflächen übertragen wird. Die Schraube ist nur die Klemme. Die Kraft, mit der sie presst, schreibt die Norm vor: Fp,C = 0,7 × fub × As, mit fub als Zugfestigkeit der Schraube und As als Spannungsquerschnitt. Für M20 der Klasse 10.9 sind das 0,7 × 1000 N/mm² × 245 mm² = 171,5 kN — rund 17 Tonnen je Schraube.

Daraus folgt, was Bauherren selten hören: Die Tragfähigkeit einer solchen Verbindung hängt von der Oberfläche der Bleche ab, nicht von der Schraube. EN 1090-2 legt in Tabelle 18 vier Reibungsklassen (Gleitflächenklassen) fest, von A mit µ = 0,5 (gestrahlt, ohne Rostnarben) bis D mit µ = 0,2 (unbehandelte Walzoberfläche). Der Unterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten Klasse ist Faktor 2,5 — bei gleicher Schraube, gleichem Blech und gleichem Stahlpreis.

Der teuerste Fehler: die beschichtete Kontaktfläche

Auf der Baustelle passiert das auf die banalste Weise: Das Tragwerk kommt im vollen Beschichtungssystem, einschließlich der Flächen, die später überlappen. Jemand befindet, „besser, alles ist geschützt“ — und verwandelt damit Klasse A in etwas Unbestimmtes, deutlich unter Klasse D. Die Verbindung sieht weiterhin gleich aus. Der Unterschied zeigt sich erst unter voller Last.

Die Lösung ist banal, wenn sie vorher vereinbart wird: Die Kontaktflächen werden vor dem Beschichten abgeklebt und nach der Reibungsklasse aus der Statik vorbereitet; nach der Montage wird der Rand der Verbindung abgedichtet und überbeschichtet. Diese Position muss im Angebot stehen — fehlt sie, wird jemand improvisieren.

Warum die Drehmomenttabelle aus dem Internet nicht gilt

EN 1090-2 lässt mehrere Verfahren zum Aufbringen der Vorspannung zu — das Drehmomentverfahren, das kombinierte Verfahren, das HRC-Verfahren und das Verfahren mit direkten Kraftanzeigern. Alle haben eine gemeinsame Bedingung: Verwendet werden Garnituren der k-Klasse K2 nach EN 14399-1, für die der Hersteller den Mittelwert des k-Faktors k_m und dessen Streuung angibt.

Das Drehmoment wird dann aus diesem deklarierten Wert berechnet, für diese Lieferung. Deshalb ist eine allgemeine Drehmomenttabelle in Newtonmetern nicht anwendbar — dieselbe Abmessung und dieselbe Festigkeitsklasse aus zwei Lieferungen können ein unterschiedliches Drehmoment verlangen, weil sich die Werksschmierung unterscheidet. Aus demselben Grund macht zusätzliches Schmieren der Schrauben auf der Baustelle den deklarierten k_m zunichte — und mit ihm das gesamte Anziehverfahren.

HR und HV: zwei Systeme, die gleich aussehen

Vorgespannte Garnituren gibt es in zwei Systemen. HR (EN 14399-3) hat die höhere Mutter und ist so ausgelegt, dass bei Überlast die Schraube selbst nachgibt — langsamer und mit sichtbarer Dehnung. HV (EN 14399-4) hat die niedrigere Mutter und versagt durch Abstreifen des Gewindes, was kompakter und günstiger ist, sich aber weniger ankündigt; im deutschsprachigen Raum ist es die aus DIN 6914 vertraute Bauform. Beide sind genormt und beide sind korrekt; sie sind stückweise nicht austauschbar, weil sie sich in der Muttergeometrie und im Versagensverhalten unterscheiden.

Für den Bauherrn zählt nur eines: In der Dokumentation muss stehen, welches System, und auf die Baustelle muss die komplette Garnitur aus derselben Lieferung kommen. Die Mischung aus der Schraube des einen Systems und der Mutter des anderen sieht ordentlich aus und ist es nicht.

Löcher, Lochspiel und warum Verbindungen nicht fluchten

Normale Löcher haben ein Lochspiel von 1 mm bei M12 und M14, 2 mm bei M16 bis M24 und 3 mm ab M27. Dieses Spiel gibt es, damit sich das Tragwerk überhaupt zusammenbauen lässt — ohne es würde nichts fluchten, denn auch die Fertigung hat ihre Toleranzen.

Fluchtet eine Verbindung nicht, gibt es zwei Wege. Der richtige: Die Abweichung wird gemessen und, wenn sie innerhalb der Planung liegt, das Loch mit Zustimmung des Tragwerksplaners aufgerieben. Der übliche: Jemand greift zum Brenner. Ein mit der Flamme aufgeweitetes Loch verändert die Eigenschaften des Stahls ringsum, hält keine Geometrie ein und macht bei einer Verbindung der Kategorie C die Berechnung praktisch zunichte — und nach dem Beschichten sieht man es nicht mehr.

Deshalb sind Ausführungsklasse und Kontrolle keine Bürokratie. Ab EXC2 muss der Hersteller ein Verfahren für Abweichungen und eine Aufzeichnung darüber haben, wer die Verbindung wie ausgeführt hat. Mehr dazu, was die Ausführungsklasse tatsächlich bedeutet, im Artikel zu EN 1090-2.

Die Schraubverbindung ist die einzige Stelle der Halle, an der sich die gesamte Berechnung auf das stützt, was jemand an einem Nachmittag in zehn Metern Höhe erledigt. Alles, was darüber nicht vorher vereinbart wird, wird dann vereinbart — zugunsten dessen, der den Schlüssel hält. Wie geschützt wird, was an diesen Verbindungen zerkratzt und geschweißt wird, steht im Artikel zum Korrosionsschutz, und wie das bemessen wird, was diese Verbindungen halten, im Artikel zur Hallenstütze.

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