Abdrücken und hohe Spannungskräfte in Bolzen

Warum ist die Zugkraft in einer Schraube höher als durch eine Handrechnung erwartet? Warum gibt es Zugkräfte in Schrauben in einer Rippenplattenverbindung? Warum sind die Zugkräfte in Schrauben manchmal für jede Schraubensorte unterschiedlich?

Die übliche Antwort ist das CBFEM-Modell, das in IDEA StatiCa-Anwendungen verwendet wird. Die Verformung von Platten und anderen Teilen wird als Teil der Finite-Elemente-Analyse berechnet, und so kommen die Vorspannkräfte zum Tragen. Die Vorspannkräfte sind die zusätzlichen Lasten, die auch in die Bolzen eingeleitet werden.

Infolge der Querkräfte können die resultierenden Zugkräfte in den Schrauben je nach Konstruktion der Verbindung, der Festigkeit der Verbindungsteile und den Auswirkungen der angewandten Lasten stark variieren.

Zugkräfte in Schrauben einer Rippenplattenverbindung

In den meisten Fällen wird bei Rippenplatten eine Platte zur Verbindung des Bauteils verwendet. Dies hat zur Folge, dass die Verbindung mit einer geringen Exzentrizität belastet wird. Diese Exzentrizität führt zu zusätzlichen Druckkräften auf die Platten, was zu Spannungen in den Schrauben führt.

Wenn eine doppelseitige Rippenplatte verwendet wird und die Verbindung symmetrisch ist, treten die einzigen Zugkräfte in den Schrauben aufgrund der Verformung der Rippenplatten auf, da durch die Verformungen eine zusätzliche Exzentrizität erzeugt wird.

Höhere Zugkräfte in Schrauben einer Endplattenverbindung

Je dünner die Endplatte ist, desto mehr Verformung hat sie unter der gegebenen Lasteinwirkung. Dadurch wird die Druckwirkung verstärkt und es werden zusätzliche Zugkräfte auf die Schrauben ausgeübt. Wenn die Endplatte dick und damit steif genug ist, werden die Abdrückkräfte eliminiert. Dieser Effekt wird anhand eines einfachen Beispiels demonstriert:

a) Endplatte - Dicke 10 mm, aufgebrachte Zugkraft 200 kN

Resultierende Zugkraft in 4 Schrauben: 61,5 x 4 = 246 kN

b) Endplatte - Dicke 40 mm, aufgebrachte Zugkraft 200 kN

Resultierende Zugkraft in 4 Schrauben: 49,9 x 4 = 200 kN

Unterschiedliche Zugkräfte in Schrauben je nach Schraubenqualität

Jede Schraubengüte hat ein anderes Arbeitsdiagramm und andere Werte für die Streckgrenze. In einer durch ein Biegemoment belasteten Endplattenverbindung von zwei Trägern wird der Vergleich von drei verschiedenen Schraubengüten (8.8, 10.9 und 5.6) einer M20-Schraube gezeigt.

Für relativ geringe Lasteinwirkungen zeigen die resultierenden Zugkräfte in den Schrauben jeder Güteklasse ähnliche Werte.

Bei Lasteinwirkungen, die zu einer hohen Auslastung der Schrauben (und Plastifizierung in den Schrauben) führen, variiert die Zugkraft jedoch in Abhängigkeit von der Schraubengüte. Je höher die Schraubengüte, desto höher die resultierende Zugkraft.

Weitere Informationen finden Sie im theoretischen Hintergrund und in der Videoaufzeichnung.