Durchgangsschrauben in Hohlprofilen: Bemessen Sie sie als Bolzen, nicht als Schrauben

Ein Benchmark in IDEA StatiCa Connection zeigt die Folgen: Dieselbe Schraube M16 8.8 besteht den Standardnachweis für Schrauben, versagt aber, wenn sie als Bolzen modelliert wird. Hier erfahren Sie, warum das so ist und wie Durchgangsschrauben richtig bemessen werden.

IDEA StatiCa Connection kann nahezu jede Geometrie einer Verbindung modellieren und berechnen. Einige Verbindungen sind jedoch nicht standardmäßig: Die allgemeinen Schraubennachweise der implementierten Normen beschreiben ihr Verhalten nicht zutreffend. Ein typisches Beispiel ist ein Hohlprofil, meist ein RHS oder SHS, das mit Durchgangsschrauben angeschlossen wird. Das sind lange Schrauben oder Gewindestangen, die durch beide Wände des Profils geführt werden, wobei Kopf und Mutter auf den Außenflächen aufliegen.

Durchgangsschrauben sind eine Alternative zu Blindschrauben, Hollo-Bolts, Fließlochschrauben und anderen speziellen einseitigen Befestigungselementen. Sie sind leicht zu beschaffen: Eine Gewindestange, Muttern und Unterlegscheiben genügen. Ihre Mechanik unterscheidet sich jedoch in drei Punkten von einer herkömmlichen geschraubten Verbindung.

Abb. 1 Anschlüsse an eine HSS-Wand: Schrauben in einer einzelnen Wand (links) und Durchgangsschrauben durch beide Wände (rechts). Quelle: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

Wichtigste Erkenntnisse

• Eine Durchgangsschraube ohne Hülse sollte im Modell als Bolzen modelliert werden und nicht als Schraube eingestuft werden.
• Nicht vorgespannte Schrauben mit einer eng anliegenden inneren Hülse können als Standardschrauben modelliert werden, wenn die Hülse die Biegung verhindert.
• Wenn die Hülse nicht an den Schrauben anliegt und ein Lochspiel vorgesehen ist, modellieren Sie die Schrauben als Bolzen.
• Es ist wichtig zu beachten, dass gleitfeste Schrauben für diese Art von Verbindung in IDEA StatiCa Connection nicht zulässig sind.

Drei Unterschiede zwischen einer Durchgangsschraube und einer Schraube

1. Die Schraube kann in einem unverstärkten Hohlprofil nicht vorgespannt werden

Beim Anziehen der Schraube werden beide Wände durch eine Punktlast nach innen gedrückt. Die nachgiebigen Flächen des Hohlprofils verformen sich, anstatt zu verspannen. Durchgangsschrauben sind daher auf Scher-Lochleibungsverbindungen mit handfest angezogenen Schrauben beschränkt. Selbst das handfeste Anziehen, etwa 10 % der Mindestvorspannkraft nach AISC 360-16 Table J3.1, muss bei dünnwandigen Profilen sorgfältig erfolgen, damit die Wände nicht eingedrückt werden. Wegen des Hohlraums im Bauteil kann auch das handfeste Anziehen nicht alle Lagen in festen Kontakt bringen.

Abb. 2 Mögliche Verformung der HSS-Wand bei voll vorgespannten Durchgangsschrauben. Quelle: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

2. Die Schraube verhält sich wie ein Bolzen, nicht wie eine Schraube

Die Lagen sind nicht verspannt und haben möglicherweise keinen Kontakt. Der Schaft wird daher auf Abscheren und Biegung beansprucht, und der Standardnachweis der Schraube auf Abscheren allein erfasst sein Verhalten nicht. Die Durchgangsschraube muss als Bolzen bemessen werden, mit Nachweisen für:

• Querkraft,
• Biegung,
• Interaktion von Querkraft und Biegung.

3. Die Lochleibungstragfähigkeit der angeschlossenen Bleche ist reduziert

Kopf und Mutter liegen nur auf der Außenseite der Hohlprofilwand auf, nicht wie bei einer herkömmlichen geschraubten Verbindung auf der Außen- und der Innenseite. Die Klemmlänge ist gegen Ausdehnung nicht gehalten, sodass die Bleche um das Loch herum nicht eingespannt sind und lokal einknicken können. Die Lochleibungstragfähigkeit entspricht der eines Bolzens, nicht der einer Schraube. Dies gilt sowohl für die Hohlprofilwand als auch für das angeschlossene Blech.

Normenhintergrund

AISC 360-22, §J3.11(b) (§J3.10(c) in AISC 360-16). Schrauben, die einen unversteiften HSS vollständig durchdringen, werden auf den Lochleibungsnachweis für Bolzen nach §J7 verwiesen:

Rn = 1,8·Fy·Apb, φ = 0,75, Apb = d·tdesign (J7-1)

„Unversteift“ bedeutet hier, dass die Wand weder durch Schraubenkopf und Mutter auf beiden Seiten eingespannt noch durch Ausfüllung oder Bewehrung ausgesteift ist. Der Schraubennachweis auf Abscheren (Gl. J3-1) und die übrigen Grenzzustände des angeschlossenen Bauteils werden wie üblich geführt. AISC 360-16 behandelte das Ausreißen bei Durchgangsschrauben nicht; in AISC 360-22 deckt derselbe Abschnitt das Ausreißen der Schraube ab. Bei eng beieinanderliegenden Schrauben oder Schrauben nahe einem Bauteilende ist ein rationaler Ansatz erforderlich.

EN 1993-1-8. Es gibt kein spezielles Verfahren. In Analogie zu AISC werden die Regeln für Bolzen nach Table 3.10 angewendet:

Fb,Rd = 1,5·t·d·fy/γM0 (Lochleibung)

MRd = 1,5·Wel·fyp/γM0 (Biegung)

(MEd/MRd)2 + (Fv,Ed/Fv,Rd)2 ≤ 1 (Interaktion von Querkraft und Biegung)

Durchgangsschrauben mit Hülse sind der Fall, bei dem die Schraube im Inneren des Hohlprofils durch ein Distanzrohr geführt wird, dessen Innendurchmesser eng anliegt und dem von Standardschraubenlöchern entspricht. Das Rohr verhindert die Verformung der Wände des Hohlprofils, wenn in der Schraube eine Zugkraft wirkt. Die einzelnen Lagen werden dann ähnlich wie bei einer Standard-Schraubenverbindung verspannt. Die Schraube kann sogar voll vorgespannt werden (CIDECT Design Guide 9, §5.11; Kurobane et al. 2004). In der Praxis wird das Rohr üblicherweise als Hülse in das Profil eingeschweißt (Dutta et al. 1998; McCormick 2017). Die Verbindung verhält sich dann eher wie eine herkömmliche Schraubenverbindung als wie eine Bolzenverbindung (McCormick 2017).

Abb. 3 Verstärkung des HSS durch Schraubenhülsen bei Durchgangsschrauben. Quelle: M. Manor, Steel Tube Institute (2026)

Benchmark-Fall

Schraubenverbindung: Verhalten einer Standardschraube

Das geschweißte SHS 110×110×10 mm besteht aus Stahl S355 und ist durch das Profil hindurch mit einem 8 mm dicken Blech mit einer Standardschraube M16 8.8 verschraubt. Die Schraube wird mit dem Schraubentyp „Lochleibung – Zug-/Querkraft-Interaktion“ modelliert, wobei die Scherfuge im Gewinde liegt. Das Modell wird nur durch eine Normalkraft von 40 kN im angeschlossenen Blech belastet. Diese Kraft beansprucht die Schraube auf Abscheren (V = 40 kN) und verursacht eine Querkraft und ein Torsionsmoment im SHS.

Abb. 4 Das Benchmark-Modell in IDEA StatiCa Connection mit der als Standardschraube modellierten Durchgangsschraube: die 40-kN-Kraft im Blech, die Endkräfte des SHS und die Einstellungen des Befestigungselements (M16 8.8, Scherfuge im Gewinde, Lochleibung – Zug-/Querkraft-Interaktion).

Schraubennachweis nach EN 1993-1-8

Die Querkraft wird fast vollständig von der ersten Scherfuge aufgenommen (40,0 kN). Die Restquerkraft in der zweiten Scherfuge ist vernachlässigbar (1,56 kN), sodass die zweite Wand kaum beteiligt ist. Die Schraube besteht den Nachweis mit einer Ausnutzung von 69,4 % für die Zug-/Querkraft-Interaktion, maßgebend ist die Ausnutzung auf Abscheren von 66,3 %.

Der Bericht enthält jedoch eine Warnung: Zwischen den angeschlossenen Blechen besteht ein Spalt, die Biegung in der Schraube wird im numerischen Modell nicht berücksichtigt, und die Bleche sind nicht verspannt. Die Tragfähigkeiten der Schraube auf Abscheren und der Bleche auf Lochleibung können daher unzutreffend sein. Dies ist das erste Signal, das Ihre Aufmerksamkeit erfordert.

Abb. 5 Schraubennachweis nach EN 1993-1-8 (M16 8.8): F_t,Ed = 3,91 kN, F_v,Ed = 40,00/1,56 kN in den zwei Scherfugen, F_b,Rd = 116,15 kN, Ausnutzung 4,3 % auf Zug, 66,3 % auf Abscheren und 69,4 % in der Interaktion, mit der für Durchgangsschrauben ausgegebenen Warnung.

Ein äquivalentes Stabmodell der Schraube erleichtert die Interpretation der Ergebnisse. Es zeigt die Schnittgrößen und die Spannungsverteilung entlang der Schraubenlänge und liefert dieselbe Ausnutzung auf Abscheren, was eine einfache Plausibilitätsprüfung ermöglicht.

Abb. 6 Äquivalentes Stabmodell der Schraube: V = 40 kN an der ersten Scherfuge, Schubspannung 4V/3A = 339,6 MPa und Ausnutzung auf Abscheren 0,66 bezogen auf V_Rd = 60,31 kN. Es bestätigt die Schnittgrößen und die Ausnutzung unabhängig von IDEA StatiCa.

Schraubenverbindung: Verhalten als Bolzen

Dasselbe Modell wird nun mit dem Befestigungselement „Bolzen“ aufgebaut. Das Bolzenelement nimmt die Querkraft und das Biegemoment auf. Axialkräfte überträgt es nicht.

Abb. 7 Das Benchmark-Modell mit der als Bolzen modellierten Durchgangsschraube (benutzerdefinierter Bolzen D16 durch das Blech und beide SHS-Wände): die 40-kN-Kraft im Blech und die Endkräfte des SHS.

Bolzennachweis nach EN 1993-1-8

Die Biegung des Bolzens hat den größten Einfluss auf das Verhalten: Allein führt sie zu einer Ausnutzung von 90,9 %. Die Lochleibungstragfähigkeit sinkt außerdem um etwa 41 % gegenüber dem Schraubenansatz (68,2 kN gegenüber 116,2 kN). Die Biegung in Kombination mit der Querkraft führt dazu, dass der Bolzennachweis nicht erfüllt ist: Die Interaktion von Querkraft und Biegung erreicht 109,5 %, und der Bolzen versagt. Das Biegemoment erreicht sein Maximum dort, wo der Bolzen in das Hohlprofil eintritt.

Abb. 8 Bolzennachweis (benutzerdefinierter Bolzen D16, f_yp = 640 MPa): F_v,Ed = 39,99 kN, M_Ed = 0,35 kNm, F_v,Rd = 77,21 kN, F_b,Rd = 68,16 kN, M_Rd = 0,39 kNm; Ausnutzung auf Querkraft 58,7 %, auf Biegung 90,9 % und in der Interaktion 109,5 %. Die Biegetragfähigkeit folgt EN 1993-1-8, Table 3.10.

Ergebnisse des äquivalenten Stabmodells (Bolzen)

Das analytische Modell kann nach den Regeln im Artikel der IDEA StatiCa Knowledge Base Steel pins aufgebaut werden.

Das analytische Stabmodell stimmt gut mit dem Modell in IDEA StatiCa Connection überein. In Connection wird die Last gleichmäßig über die Dicke des Blechs verteilt, das den Bolzen belastet; das äquivalente Modell verwendet stattdessen eine konservative Punktlast. Dies führt zu geringen Unterschieden zwischen den Schnittgrößen und Ausnutzungen der beiden Modelle, wodurch das Stabmodell zu einer nützlichen Plausibilitätsprüfung wird.

Die Ausnutzung auf Querkraft von 58,7 % wird durch den Lochleibungsnachweis des angeschlossenen Blechs bestimmt, nicht durch die Abscherung des Bolzens selbst (51,8 %). Biegung (0,93) und die Interaktion von Querkraft und Biegung (1,14) sind im äquivalenten Stabmodell wegen der Punktlast etwas höher. Der Bolzen verhält sich wie erwartet.

Abb. 9 Äquivalentes Stabmodell der als Bolzen modellierten Durchgangsschraube: V = 40 kN an der ersten Scherfuge, M = 0,36 kNm dort, wo der Bolzen in die SHS-Wand eintritt, Ausnutzung auf Biegung 0,93 bezogen auf M_Rd = 0,386 kNm, Interaktion 1,14. Lochleibung des Bolzens: 0,59 am angeschlossenen Blech, 0,52 und 0,05 an den beiden SHS-Wänden.

Modell mit gefertigten innenliegenden Hülsen

McCormick (2017) beschreibt die Hülse als eine der gebräuchlichsten Möglichkeiten, eine Durchgangsschrauben-Verbindung zu verbessern:

„Eine der gebräuchlichsten Methoden zur Verbesserung des Tragverhaltens von Durchgangsschrauben-Verbindungen besteht darin, eine Hülse (oder ein Rundrohr) vorzusehen, durch die die Durchgangsschraube geführt wird. Dazu wird ein Loch in den HSS gebohrt, eine Hülse eingesetzt, deren Innendurchmesser dem Durchmesser eines Standardlochs für die Durchgangsschraube entspricht, und die Hülse anschließend eingeschweißt (Dutta et al. 1998). Die Hülse ermöglicht das Vorspannen der Schraube und verhindert gleichzeitig die Verformung der HSS-Wand. Dadurch verhält sich die Durchgangsschrauben-Verbindung eher wie eine Schraubenverbindung als wie eine Bolzenverbindung.“ (McCormick, Steel Tube Institute, 2017)

Abb. 10 RHS/SHS-Bauteil, gefertigt mit innenliegenden Hülsen.

Hülsen in IDEA StatiCa: nicht vorgespannte Schrauben

Wird die eingeschweißte Hülse im RHS/SHS modelliert und die Schraube nicht vorgespannt, kann die Durchgangsschraube in IDEA StatiCa gemäß dem oben genannten Artikel und den Quellen als Standardschraube modelliert werden. Die Hülse muss die Schraube genau umschließen, damit das Standardschraubenmodell gültig ist. Sobald zwischen Hülse und Schraube ein Spiel besteht, fällt die Schraube auf das Bolzenverhalten zurück.

• Auch wenn die Hülse mit der Fertigungsoperation „Aussteifendes Bauteil“ modelliert wird, zeigt der Bericht weiterhin die Warnung, dass die Biegung in der Schraube nicht berücksichtigt wird. 
• Der Lochleibungsnachweis wird an den angeschlossenen Lagen geführt

Abb. 11 RHS/SHS-Verbindung, gefertigt mit einer innenliegenden Hülse und einer nicht vorgespannten Schraube M16 8.8: Nachweis der Lochleibungstragfähigkeit nach EN 1993-1-8 Table 3.4 und die Warnung zum Spalt zwischen den angeschlossenen Blechen.

Hülsen in IDEA StatiCa: gleitfeste Schrauben

IDEA StatiCa Connection lässt in diesem Modell keine gleitfesten Schrauben zu. Die Berechnung bricht mit der Meldung „Gleitfeste Schrauben können nicht verwendet werden, wenn zwischen den Blechen ein Spalt besteht“ ab. Dafür gibt es einen Grund:

• Im Modell wird die Vorspannkraft nicht in die Hülse eingeleitet. Die Schraube ist auf Abscheren ausgesteift, und die tangentialen Kräfte der Schraube wirken auf Zug und Druck auf das Loch, in axialer Richtung verhält sich die Schraube jedoch wie eine Standardschraube, und es entsteht kein vorgespannter Zustand. Die Hülse wird durch die Vorspannung nicht gedrückt, sodass der resultierende Spannungszustand irreführend wäre.

Abb. 12 RHS/SHS-Verbindung, gefertigt mit einer innenliegenden Hülse und einer vorgespannten (gleitfesten) Schraube: Die Berechnung meldet, dass gleitfeste Schrauben nicht verwendet werden können, wenn zwischen den Blechen ein Spalt besteht.

Fazit

• Eine Durchgangsschraube ohne Hülse ist ein Bolzen, keine Schraube. Sie kann nicht vorgespannt werden, die Lagen sind nicht verspannt, und der Schaft wird auf Abscheren und Biegung beansprucht.
• Der Standardnachweis für Schrauben liegt hier auf der unsicheren Seite. Im Benchmark (SHS 110×110×10, Blech 8 mm, M16 8.8, 40 kN) wird der Schraubennachweis mit 69,4 % erfüllt. Der Bolzennachweis versagt mit 109,5 % in der Interaktion von Querkraft und Biegung, wobei die Biegung allein 90,9 % beträgt.
• Lesen Sie die Warnung im Bericht. IDEA StatiCa Connection weist auf den Spalt zwischen den Blechen hin: Die Biegung in der Schraube wird nicht berücksichtigt, und die Tragfähigkeiten der Schraube auf Abscheren und der Bleche auf Lochleibung können unzutreffend sein.
• Die Lochleibungstragfähigkeit sinkt um etwa 41 %. Die Lochleibung des Bolzens am 8-mm-Blech ergibt 68,2 kN gegenüber 116,2 kN für die Lochleibung der Schraube.
• Modellieren Sie sie in IDEA StatiCa Connection als Bolzen und weisen Sie die Schraubenfestigkeitsklasse dem Bolzenmaterial zu. Der Bolzen nimmt keine Axialkraft auf, prüfen Sie daher Zugeffekte bei Bedarf separat.
• Eine eingeschweißte Hülse stellt das Schraubenverhalten wieder her. Mit einer eng anliegenden Hülse kann die Durchgangsschraube als Standardschraube mit Lochleibung modelliert werden. Gleitfeste (vorgespannte) Schrauben können in IDEA StatiCa Connection nicht berechnet werden, wenn zwischen den Lagen ein Spalt besteht.

Literatur

• AISC (2022). Specification for Structural Steel Buildings, ANSI/AISC 360-22. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• AISC (n.d.). Design Guide 24: Hollow Structural Section Connections, 2nd edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• CEN (2005). EN 1993-1-8:2005 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints. European Committee for Standardization, Brussels.
• Dutta, D., Wardenier, J., Yeomans, N., Sakae, K., Bucak, Ö. and Packer, J.A. (1998). Design Guide 7: For Fabrication, Assembly and Erection of Hollow Section Structures. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Kurobane, Y., Packer, J.A., Wardenier, J. and Yeomans, N. (2004). Design Guide 9: For Structural Hollow Section Column Connections. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Manor, M. (2026). HSS Bolted Connections: Keep It Together With a Bolt of Confidence. Steel Tube Institute. steeltubeinstitute.org
• McCormick, J. (2017). Connecting Hollow Structural Section Members with Through-Bolts. Steel Tube Institute, July 2017. steeltubeinstitute.org

Die Autoren des Artikels: Lukas Juricek, Pavel Kalab und Martin Vild