Wichtiger Fachhinweis: Dies ist ein archivierter Lehrtext, keine aktuelle Planungsspezifikation, statische Berechnung oder Fertigungs- und Montageanweisung. Bemessung und Ausführung von Stahlkonstruktionen müssen den geltenden Vorschriften und Normen, der Planung eines autorisierten Ingenieurs, der Herstellerdokumentation, der Kontrolle von Werkstoffen sowie geschweißten oder mechanischen Verbindungen und den vorgeschriebenen Sicherheitsmaßnahmen entsprechen.
Planung und Ausführung von Stahlkonstruktionen gehören nicht zum aktuellen öffentlichen Angebot von Savo Kusić. Der heutige Fertigungsschwerpunkt liegt auf Holzfenstern, Holz-Aluminium-Fenstern und maßgefertigten Türen.
In Stahlkonstruktionen werden Stäbe, Träger, Behälter, Flächenträger und ähnliche Bauteile aus Walzprofilen zusammengesetzt. Verbindungen müssen die einzelnen Profile so zusammenfügen, dass sie als einheitliche Konstruktionsteile wirken. Dies ist nur möglich, wenn die Verbindungen die zwischen den Einzelteilen auftretenden Kräfte sicher übertragen. Wirkt zwischen zwei Teilen ausschließlich Druck, wird die Kraft durch unmittelbaren Kontakt zwischen Verbindungsmittel und Bauteil übertragen. Neben starren Verbindungen gibt es bewegliche Verbindungen, die bestimmte Verschiebungen zulassen (Gelenke, Mittelbolzen, Auszugsvorrichtungen, Lager usw.).
Nieten
Über Nieten wird nur das Wesentliche gesagt, da sie heute fast nicht mehr verwendet werden und durch Schrauben ersetzt wurden. Dabei handelt es sich um Dübel, ähnlich wie Nägel, die in Öffnungen der zu verbindenden Teile gesteckt und anschließend vernietet werden. Rohnieten (Abb. 1) werden aus gewalztem Rundstahl hergestellt. Bei Stahlkonstruktionen sind die Nieten leuchtend rot leuchtend vernietet. Beim Nieten wird der vorhandene Rohnietkopf mit einem geeigneten Werkzeug gut abgestützt. Erst nachdem der Niethals vollständig eingetrieben ist, wird der Endkopf mit einem meist pneumatisch angetriebenen Hammer geformt. Für die Qualität der Nietung ist es sehr wichtig, dass der Niethals die Öffnungen vollständig ausfüllt. Der Durchmesser der Niete ist 1 mm kleiner als der Durchmesser des Lochs, der Hals der Niete muss durch Druck oder Schläge verdichtet werden, bevor der Endkopf Gestalt annimmt.
Sl. 1 - a) Rohniet; b) Niete mit halbrundem Kopf; c) Niete mit Senkkopf; d) Niete mit halbrundem Kopf für Kessel
Beanspruchung und Festigkeit einzelner Nieten (statisch)
Scherverbindungen (Abb. 2) bilden das wichtigste Einsatzgebiet von Nieten im Stahlbau. Entsprechend der Anzahl der auf Scherung beanspruchten Abschnitte des Niethalses werden einteilige, zweiteilige und mehrteilige Verbindungen unterschieden (Abb. 3). Mit der in Abb. gezeigten Verbindung. 4 (Doppelbindung) liegt ein symmetrischer Spannungszustand vor.
Sl. 2
Sl. 3 – Einteilige und zweiteilige Verbindung
Die Lochleibungsdrücke zwischen Nietschaft und Lochwand hängen vom Nietdurchmesser und den Abmessungen der verbundenen Teile ab; ihre Verteilung zeigt Abb. 4a. Für die praktische Berechnung wird eine gleichmäßige Spannungsverteilung über die Blechdicke angenommen (Abb. 4b). Die Spannungsverteilung über den Umfang des Nietschafts zeigt Abb. 4c. Für die Bemessung wird gemäß Abb. 4d eine gleichmäßige Verteilung über den Durchmesser angenommen. Der Mittelwert σlm ist die Lochleibungsspannung.
Sl. 4 – Spannungen pro Lochhülle; a) und c) real; b) und d) übliche Berechnungsannahmen
Die übliche Berechnung von Nieten
Die Scherfestigkeit hängt in erster Linie vom Material der Nieten ab. Bei der Auswertung der Versuchsergebnisse ist zu berücksichtigen, dass sich das Material der Nieten von dem Material unterscheidet, mit dem die Bleche verbunden werden, und dass durch das Vernieten der Nieten die Festigkeit des Nietmaterials erhöht wird.
Die Druckfestigkeit entlang der Lochhülle als höchste Belastungsgröße kommt nicht so deutlich zum Ausdruck wie die Scherfestigkeit. Wenn der Abstand e vom Ende des Blechs nicht zu groß ist, reißen die Nieten es; Abb. 5 zeigt Pannenbilder. Die Druckspannung auf die Lochhülle, die zum Abscheren der Blechenden erforderlich ist, kann für e < 2,5d durch die Form σlB = σB e/d dargestellt werden. Die Breite b hat keinen nennenswerten Einfluss auf die Druckfestigkeit der Lochhülle, σB ist die Reißfestigkeit der verbundenen Bleche.
Sl. 5 – Arten von Frakturen
Historische Nietenregeln
Nietabstände. Der Achsabstand e ist nach unten begrenzt, um das Nieten zu ermöglichen, Spannungsspitzen zu begrenzen und die Widerstandsminderung durch Löcher zu berücksichtigen. Auch der Höchstabstand ist begrenzt, damit sich die verbundenen Bleche wegen Korrosionsgefahr nicht öffnen und unter Druckbeanspruchung nicht ausbeulen. Der größte Abstand hängt von der Blechdicke t ab. Innerhalb bestimmter Grenzen unterscheiden sich die üblichen Nietabstände bei Eisenbahnbrücken und anderen Stahlkonstruktionen. Der Randabstand e1 liegt in Kraftrichtung, e2 senkrecht dazu.
Position der Nieten. Die Nieten sind meist in regelmäßigen Nietmustern angeordnet und in geraden Linien hintereinander platziert. Bei größeren Querschnitten sind mehr Nietreihen erforderlich (Abb. 6), wobei Tabelle 1 zu beachten ist. Für interne Strukturnieten von weit gespannten Stäben kann e bis zum Doppelten der Werte aus Tabelle 1 erhöht werden.
Sl. 6
Sl. 7 – Beispiel für Nieten für Profilstahl
Schrauben und Bolzen
Schrauben kommen fast immer bei Konstruktionen zum Einsatz, bei denen es auf die Sicherung der Verbindung ankommt. Bolzen aus hochwertigem Material sollen Kräfte durch Reibung übertragen, während Scherfestigkeit und Druckspannungen auf das Dübelgehäuse keinen nennenswerten Beitrag leisten. Im Stahlbau werden Schrauben mit metrischem Gewinde verwendet. Die Regeln für die Verwendung von Schrauben entsprechen denen für Nieten mit dem gleichen Lochdurchmesser d. Der kleinste Abstand darf jedoch nicht kleiner sein als e = 3,5d, vorzugsweise 4d. Andere Abstände, Wurzeln und Längenmaße sind die gleichen wie bei Nieten. Aufgrund des größeren Platzbedarfs für Muttern und Schraubenschlüssel müssen die Schrauben weiter gegeneinander versetzt sein als die Nieten.
Bei Stahlkonstruktionen kommen vor allem folgende Formen in Betracht:
Rohe Sechskantschrauben: haben eine Sechskantmutter und eine Unterlegscheibe. Gewindedurchmesser d = 10 bis 33 mm mit Lochdurchmessern d1 = 11 bis 34 mm. Diese Schrauben werden nur im Gewinde bearbeitet, daher sollte ein Spalt von 0,5 bis 2 mm zwischen dem Körper und dem Loch berechnet werden. Bei höheren Kräften ist Vorsicht geboten, da Schraubverbindungen oft erhebliche Verformungen aufweisen.
Sl. 8 - Schraube
Schlitzschrauben: Ihre Abmessungen entsprechen den rohen Sechskantschrauben, sie haben jedoch einen präzise zylindrisch bearbeiteten Körper, sodass sie das Loch gut ausfüllen. Passschrauben ersetzen rohe Schrauben, wenn größere Kräfte übertragen werden müssen oder wenn Bewegungen in Verbindungen in kleinen Grenzen bleiben müssen.
Trägerplatten: Schrauben werden mit Trägerplatten angebracht. Die Dicke der Platte hängt von der Größe der verwendeten Schraube ab.
Markierungen: Markierungen, Loch- und Schraubengrößen finden Sie in der folgenden Tabelle:
Sl. 9 – Schraubenmarkierungen
Statische Beanspruchung einzelner Schrauben
Scherverbindungen: Der Spannungszustand bei Schraubverbindungen ähnelt dem bei Nietverbindungen. Bei der Dimensionierung wird mit den Mittelwerten der Schubspannung τm und dem Druck auf den Lochmantel σlm gerechnet. Es ist bekannt, dass der Druck auf die Bohrungswandung beim Eintritt der Gewinde in die Bohrung stark ansteigt, was daher vermieden werden sollte.
Der Reibungswiderstand bei normalen Schraubverbindungen ist geringer als bei Nietverbindungen, da beim Anziehen der Muttern nur relativ geringe Anzugskräfte erzielt werden können. Zu starkes Anziehen beschädigt die Gewinde. Damit sind die hochwertigen Schrauben gemeint, die den Reibungswiderstand in den Verbindungen entscheidend für deren Verhalten machen.
Die Scherfestigkeit montierter zylindrischer Dübel entspricht der von Nieten. Ein statischer Reißtest kann unter normalen Umständen keinen Unterschied zwischen montierten Dübeln und Nieten hinsichtlich der Druckfestigkeit pro Lochumschlag feststellen. Bei Ermüdungsbelastung ist der verhältnismäßig geringere Reibungswiderstand die Ursache für ein deutlich unterschiedliches Verhalten von Schraubverbindungen.
Rohe Schrauben haben aufgrund des Spalts zwischen Loch und Schraubenkörper bei scherbeanspruchten Verbindungen einen um bis zu 20 % geringeren Widerstand. Aus diesem Grund sind die zulässigen Spannungen bei Rohschrauben geringer als bei Einbauschrauben. Zur Größenbestimmung sollte der tatsächliche Körperdurchmesser d herangezogen werden.
Gelenkbolzen
Gelenkstopfen sorgen für eine zug- und druckfeste Verbindung, bei der die verbundenen Elemente drehbar sind. Anwendung an den Gelenken von Gerber-Stützen, Hängegurten von Kettenhängebrücken, Verbindungen von gespannten Stangen in Form von Gelenken usw. Gitter mit Verbindungen in Knoten zum Gelenk, sog. Brücken mit Korken werden fast nicht mehr gebaut. Hohe Reibungskräfte, die an den Steckern auftreten, verhindern Bewegungen, während eine gegenseitige Verdrehung erst bei höheren Drehmomenten erreicht wird.
Sl. 10 – Kappen, a) Kappe mit Schraube; b) Kork mit Spalt; c) Stecker einer Hängebrücke
Der Spannungszustand im Dübel ist im Allgemeinen derselbe wie bei Nietverbindungen. Die Dübel werden daher entsprechend der mittleren Schubspannung τm und der mittleren Druckspannung pro Lochmantelschicht σlm dimensioniert. Da sich die Stecker jedoch leicht drehen lassen müssen, wird weniger Film mitgenommen. Biegespannungen in Dübeln sind meist unbedeutend, können jedoch bei hoher Konzentration der verbundenen Abschnitte erhebliche Größenordnungen erreichen.
Für jedes reale Objekt werden aktuelle Berechnungsmethoden, vorgegebene Fugendetails und die Projektdokumentation eines autorisierten Sachverständigen verwendet. Dieser Text wird als historische Bildungsressource aufbewahrt.