Abhebekraft und hohe Zugkraft in Schrauben

Warum ist die Zugkraft in einer Schraube höher als durch eine Handrechnung erwartet? Warum treten in einer Fahnenblech-Verbindung Zugkräfte in Schrauben auf? Warum unterscheiden sich die Zugkräfte in Schrauben manchmal je nach Schraubenklasse?

Die übliche Antwort liegt im CBFEM-Modell, das in IDEA StatiCa-Anwendungen verwendet wird. Die Verformung von Blechen und anderen Bauteilen wird als Teil der Finite-Elemente-Analyse berechnet, wodurch Abhebekräfte wirksam werden. Die Abhebekräfte sind zusätzliche Lasten, die ebenfalls in die Schrauben eingeleitet werden. Mehr über Abhebekräfte erfahren Sie in einem speziellen Blogbeitrag.

Infolge der Abhebekräfte können die resultierenden Zugkräfte in den Schrauben je nach Ausführung der Verbindung, der Tragfähigkeit der Verbindungsteile und den aufgebrachten Lasteffekten stark variieren.

Zugkräfte in Schrauben einer Fahnenblech-Verbindung

In den meisten Fällen wird beim Fahnenblech ein einzelnes Blech zur Verbindung des Bauteils verwendet. Dies führt dazu, dass eine geringe Exzentrizität in die Verbindung eingebracht wird. Diese Exzentrizität erzeugt zusätzliche Abhebekräfte auf die Bleche, die Zugkräfte in den Schrauben hervorrufen.

Wird ein beidseitiges Fahnenblech verwendet und ist die Verbindung symmetrisch, entstehen Zugkräfte in den Schrauben nur durch die Verformung der Fahnenbleche, da durch die Verformungen eine zusätzliche Exzentrizität erzeugt wird.

Höhere Zugkräfte in Schrauben einer Stirnplatten-Verbindung

Je dünner die Stirnplatte ist, desto größer ist ihre Verformung unter den gegebenen Lasteffekten. Dies verstärkt die Abhebekraftwirkung und führt zu zusätzlichen Zugkräften in den Schrauben. Ist die Stirnplatte dick und damit ausreichend steif, werden die Abhebekräfte eliminiert. Dieser Effekt wird anhand eines einfachen Beispiels veranschaulicht:

a) Stirnplatte – Dicke 10 mm, aufgebrachte Zugkraft 200 kN

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

b) Stirnplatte – Dicke 40 mm, aufgebrachte Zugkraft 200 kN

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

Unterschiedliche Zugkräfte in Schrauben je nach Schraubenklasse

Jede Schraubenklasse hat ein anderes Arbeitsdiagramm und unterschiedliche Streckgrenzenwerte. In einer Stirnplatten-Verbindung zweier Träger, die durch ein Biegemoment beansprucht werden, wird der Vergleich von drei verschiedenen Schraubenklassen (8.8, 10.9 und 5.6) einer M20-Schraube dargestellt.

Bei verhältnismäßig geringen Lasteffekten zeigen die resultierenden Zugkräfte in den Schrauben je Klasse ähnliche Werte.

Bei Lasteffekten, die zu einer hohen Ausnutzung der Schrauben (und Plastifizierung in den Schrauben) führen, variiert die Zugkraft je nach Schraubenklasse. Je höher die Schraubenklasse, desto höher die resultierende Zugkraft.

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