Ausführung von Stahltragwerken nach DIN EN 1090-2 · Dübel für den Stahlbau verfügen über harmonisierte ... Bei dieser Art der Schraubverbindung geht der Konstrukteur vom Abscheren

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INGENIEURBÜRO FÜR QUALITÄT IN DER SCHWEISSTECHNIK

Ausführung von Stahltragwerken nach DIN EN 1090-2

Mechanisches Verbinden

Vortrag am 19.10.2017DVS®-BV Südwestfalen

bbz Arnsberg

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Inhalt des Vortrages

• Vorstellung des Referenten

• Warum interessiert sich die DIN EN 1090 für das mechanische Verbinden?

• Welche Material-Nachweise sind notwendig?

• Welche Arten von mechanischem Verbindungen sind nach DIN EN 1090 von Interesse?

• Einschränkungen und Erweiterungen durch nationale Vorgaben.

• Wie wird geprüft?

• Muss ein Montagebetrieb zertifizieren sein?

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Name: Andreas Otte

Jahrgang 1964, verheiratet, 1 Tochter

Ausbildung zum Maschinenschlosser bei der PHB Weserhütte AG in Bad Oeynhausen

Studium an der Fachhochschule Bielefeld, Fachrichtung Maschinenbau

Zusatzausbildung zum Schweißfachingenieur an der SLV Hannover

Mehrjährige Tätigkeit im Stahl- und Metallbau, teilweise als verantwortlicher Schweißfachingenieur

Von 1998 bis 2013 Leiter der anerkannten Stelle bei der Handwerkskammer Ostwestfalen-Lippe zu Bielefeld

Vom Juli 2013 bis Juni 2016 - Leiter der Zertifizierungsstelle DIN EN 1090 bei ZDH-ZERT

Seit dem 01.07.2016 Selbstständig im Ingenieurbüro

Zur Person

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Mechanisches Verbinden

Ziel der DIN EN 1090 ist es, dass Tragwerke aus Stahl oder Aluminium hergestellt werden, die ihre Standsicherheit gewährleisten, für die sie ausgelegt und berechnet worden sind.

Hierzu hat der Hersteller Verfahren anzuwenden, die als sicher gelten, solange er die Regeln einhält.

Diese Regeln der Technik sind in Normen beschrieben. Werden diese nicht befolgt, so gilt ein Tragwerk als nicht normgerecht hergestellt und damit als nicht standsicher. Die Verwendung des Tragwerkes ist somit nicht zulässig, es ist nachzubessern oder rückzubauen.

Die Verbindung zwischen zwei Bauteilen oder die Verbindung zwischen einem Bauteil und einem anderen Konstruktionswerkstoff (Beton, Mauerwerk, usw.) ist ein Faktor, der die Standsicherheit beeinflusst.

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Prüfbescheinigung nach Tabelle 1 der DIN EN 1090-2

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PrüfbescheinigungDIN EN 10204

Schrauben bzw. Dübel für den Stahlbau verfügen über harmonisierte Produktnormen bzw. über eine europäische technische Zulassung und tragen das CE-Zeichen nach der europäischen Bauproduktenverordnung. Der Schraubenhersteller erstellt hierfür eine Leistungserklärung.

Somit steht dem Hersteller von Stahltragwerken doch eine Bescheinigung (Leistungserklärung) des Schraubenherstellers zur Verfügung, in der dieser die Erfüllung der Anforderungen bestätigt.Da an Schrauben nicht geschweißt werden darf, interessiert eine chemische Analyse überhaupt nicht.

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Verbindungsarten

Einsatz von Schraubengarnituren

nicht planmäßig vorgespannte

Schrauben

planmäßig vorgespannte

Schrauben

Befestigung dünnwandiger

Bauteile

DübelNiete

Grundlage für die Berechnung der mechanischen Verbindungen im Bereich der Stahltragwerke ist die DIN EN 1993-1-8 (Anschlüsse) und für die Ausführung gilt die DIN EN 1090-2.Für die Berechnung von Aluminiumtragwerke gelten die entsprechende Teile der DIN EN 1999-1-1 und für die Ausführung die DIN EN 1090-3.

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Das Verbinden dünnwandiger Bauteile (z.B. Trapezbleche) mit dem Stahltragwerk soll hier nur kurz erwähnt werden. Da hier in der Regel keine Kräfte übertragen werden, sind diese für die weitere Betrachtung nicht von Bedeutung.

Ändern wird sich dies mit der Einführung von DIN EN 1090-4 und -5, die die Verwendung von dünnwandigen Bauteilen als tragende bzw. aussteifende Elemente berücksichtigt.

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Niete

Das Nieten von Stahltragwerken ist nicht mehr wirtschaftlich und wird darum nicht mehr in der Fertigung angewendet.

Lediglich in ganz speziellen Fällen und bei Restaurierungen von Tragwerken kann das Nieten noch zum Einsatz kommen.

An dieser Stelle wird auf eine ausführliche Präsentation verzichtet.

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Schraubengarnituren

Schraubengarnituren bestehen aus Komponenten, also Schraube, Mutter und Scheibe(n), von ein und demselben Schraubenhersteller.

Nach DIN EN 1993-1-8 sind folgende Festigkeitsklassen in Europa zugelassen:

Nach dem nationalen Anwendungsdokument DIN EN 1993-1-8/NA sind die Festigkeitsklassen 4.8, 5.8 und 6.8 nicht in Deutschland zugelassen. Grund: Mangelndes Dehnungsvermögen.

Schraubenfestigkeitsklasse 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9

yb [N/mm²]Streckgrenze 240 320 300 480 480 640 900

ub [N/mm²]Zugfestigkeit 400 400 500 500 600 800 1000

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Kategorien von Schraubverbindungen

Kategorie A: Scher-/Lochleibungsverbindung (SL-Verbindung)

Bei dieser Art der Schraubverbindung geht der Konstrukteur vom Abscheren des Schraubenquerschnittes aus. Dabei muss die Flächenpressung zwischen der Schraube und der Bohrung innerhalb zulässiger Grenzen bleiben.

MERKE: Je größer die Bohrung desto kleiner wird die Fläche und desto größer ist die Flächenpressung. Aus diesem Grund ist der Bohrungsdurchmesser wichtig.

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Kategorie B oder C: Scher-/Lochleibungsverbindung mit Vorspannung (SLV-Verbindung)Gleitfeste-Verbindung (GV-Verbindung)

Bei dieser Art der Schraubverbindungen werden die Schrauben vorgespannt, d.h. mit einer definierten Vorspannkraft versehen. Es kommen Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 und 10.9 zum Einsatz.Während bei der SLV-Verbindung die Vorspannung lediglich das Lösen der Mutter verhindern soll, werden bei der GV-Verbindung auch Kräfte über die Gleitebene zwischen den Blechen rechnerisch berücksichtigt.

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Kategorie D: zugbeanspruchte Schraubverbindung

Bei dieser Art der Schraubverbindungen geht der Konstrukteur von einer reinen Zugbeanspruchung aus, wie sie z.B. in Zugstäben auftreten.

Das dies oft ein Wunschdenken ist, soll diese Zeichnung verdeutlichen.

zugbeanspruchter Plattenstoß

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Kategorie E: zugbeanspruchte vorgespannte Schraubverbindung

Bei dieser Art der Schraubverbindungen geht der Konstrukteur von einer dynamischen Zugbeanspruchung aus. Es sind nur Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 und 10.9 zugelassen.

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Verschiedene Schraubenarten

Zu den in EN 1090-2 erlaubten Schraubengarnituren zählen:

Bezeichnung Kategorie Norm Festigkeits-klasse

Mutter Scheibe Prüfung und Kennzeichnung

Stahlbau-schraube

A(Scher/Loch-

leibung)D

(zugbelastet,vorwiegend

ruhend)

DIN 7990ISO 4014ISO 4016ISO 4017

4.65.6

ISO 4032ISO 4033ISO 4034(FK 4/5)

DIN 7989-1DIN 7989-2DIN 34820ISO 7089ISO 7090ISO 7091(100 HV)

DIN EN 15048-1; -2Konformität CEKennzeichnung: SB

Stahlbau-Passschraube

DIN 7968 5.6

HV- Schraube A / DB

Gleitfest-GdGC

Gleitfest – GdTE

zugbelastet(Erdbeben/ Ermüdung)

EN 14399-4 10.9 EN 14399-4 EN 14399-6 DIN EN 14399-1; -2Konformität: CE

HV-Passschraube

EN 14399-8

HR- (Senk) Schraube

EN 14399-3EN 14399-7

8.810.9

EN 14399-3EN 14399-7

EN 14399-5EN 14399-9

HRC-Schraube

EN 14399-10 EN 14399-10

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Schraubenarten

Nicht vorgespannte Stahlbauschraube (DIN 7990)

Schraubverbindungen die nicht vorgespannt sind (Kategorie A und D) können mit Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 bis 10.9 ausgeführt werden.Sie müssen mindestens „handfest“ angezogen werden. Das bedeutet:Zwischen Schraubenkopf, Mutter sowie zwischen den Blechen darf keine klaffende Fuge sein. Ausnahme sind Fälle, in denen im mittleren Bereich ein Anliegen erreicht wird. Bei Blechen 8 mm und Profilquerschnitten darf ein Spalt an den Kanten bis max. 4 mm verbleiben.

Die Vorspannkräfte bzw. Anziehmomente sind in der EN 1090-2 nicht geregelt. Als Anhaltswert wird empfohlen 10% der Mindestvorspannkräfte für hochfesteSchraubengarnituren zu wählen.

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Schraubenarten

Planmäßig vorgespannte Schraubverbindungen

HV- Schrauben (DIN EN 14399-4)

Sowohl national, als auch auf europäischer Ebenekommen überwiegend Schrauben nach DIN EN 14399als HV-System zum Einsatz.HV bedeutet: Hochfest (Materialeigenschaft) Vorgespannt (Montagezustand der Schraube)

HV-Muttern werden werksseitig mit Molybdän-Sulfid (MoS2) eingeschmiert und dürfen daher vom Anwender nicht zusätzlich mit Schmierstoff versehen werden. Hinweis: Veränderungen beim Schmiermittel führen zu Veränderungen bei den Anziehmomenten. Damit sind die Herstellerangaben nicht mehr verbindlich und eine Verfahrensprüfung muss den Beweis erbringen, dass das System funktioniert.

Schrauben aus nichtrostendem Stahl dürfen nicht als planmäßig vorgespannte Schrauben verwendet werden, es sei denn, dass dies vorher vereinbart wurde.

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Anziehen und Vorspannen von Schraubverbindungen

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Für Deutschland war nach DIN 18800-7 das bewährte Drehmomentverfahren mit fest definierten Anziehmoment je Durchmesser festgelegt.

Sofern keine Einschränkungen hinsichtlich der Anwendung vorliegen, kann jedes nach DIN EN 1090 angegebene Anziehverfahren eingesetzt werden.

Drehmomentverfahren Kombiniertes Vorspannverfahren HRC Anziehverfahren Verfahren mit direkter Kraftanzeige (DTI)

Vorspannung erfolgt überwiegend durch Drehen der Mutter. Beim Drehen des Schraubenkopfes ist das Erreichen der planmäßigen Vorspannkraft durch eine Verfahrensprüfung zum Anziehverhalten mit geeigneter Schmierung nachzuweisen.

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Drehmomentverfahren

DIN EN 1090-2 in Verbindung mit DIN EN 1993-1-8 ermöglicht eine um ca. 11 % höhere Ausnutzung der Vorspannkraft Fp,C nur bei der Verwendung von Schraubengarnituren der Klasse k2. Die Klasse k2 erfordert für jede Paarung von Schraube, Mutter und Scheiben, je Fertigungslos,individuell ermittelte Anziehmomente. Ein derart hoher Aufwand (hohe Kosten) sind nur bei besonderen Anwendungsfällen der Kategorie B,C und E vertretbar. Für die am häufigsten vorkommenden Kategorien A und D kann man auf das im deutschen Anhang zur EN 1993-1-8 beschriebene modifizierte Drehmomentverfahren mit Fp,C*- Werten zurückgreifen, welches den bewährtem „alten“ DIN 18800 Drehmomentverfahren entspricht.

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Drehmomentverfahren

Somit ergibt sich, dass zu den in DIN EN 1090-2 beschriebenen Verfahren durch den nationalen Angang in Deutschland zusätzlich das:

Modifizierte kombinierte DrehwinkelverfahrenModifizierte DrehmomentverfahrenDrehimpulsverfahren gibt.

Während beim modifizierten Drehmomentverfahren das Anziehen der Schrauben-garnituren im ersten Schritt beliebig gewählt werden kann, muss im zweiten Schritt das Aufbringen des Drehmomentes unter Verwendung eines Drehmomentschlüssels mit einer Unsicherheit von weniger als 4% (kalibriert) erfolgen. Hierbei ist ein Ausgleich von Vorspannverlusten durch Nachziehen zulässig.Das Drehimpulsverfahren erfolgt mit einem Schlagschrauber, der mit einer etwa 10% höhere Vorspannkraft eingestellt wird. Dieses gleicht Ungenauigkeiten im Verfahren aus.

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Drehmomentverfahren [Tabelle NA.A1 und NA.A.2]

Maße Festigkeitsklasse 8.8 Festigkeitsklasse 10.9

Regel-

vorspann-

kraft

Fp,C*

kN

(Drehimpuls-

verfahren)

Einzustellende

Vorspannkraft

FV;DI

kN

Aufzubringendes

Anziehmoment

MA

Nm

Regel-

vorspann-

kraft

Fp,C*

kN

(Drehimpuls-verfahren)

Einzustellende

Vorspannkraft

FV;DI

kN

Aufzubringendes

Anziehmoment

MA

Nm

M12 35 40 70 50 60 100

M16 70 80 170 100 110 250

M20 110 120 300 160 175 450

M22 130 145 450 190 210 650

M24 150 165 600 220 240 800

M27 200 220 900 290 320 1250

M30 245 270 1200 350 390 1650

M36 355 390 2100 510 560 2800

* Muttern mit Molybdänsulfid oder gleichwertigem Schmierstoff behandelt

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Kombiniertes Vorspannverfahren

Das kombinierte Vorspannverfahren besteht aus zwei Schritten:1. Schritt: Aufbringen des Voranziehmomentes [Nm]2. Schritt: Aufbringen des Weiterdrehwinkels nach Tabelle 21

Der Weiterdrehwinkel ist abhängig von der Klemmlänge und somit indirektauch von der Schraubenlänge.

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Gewinde Voranzieh-moment[Nm]

Weiterdrehwinkel [°]

60° 90° 120°

Klemm-länge [t]

Schrauben-länge [L]

Klemmlänge [t]


Klemmlänge [t]


M12 75 < 24 40 24 t < 72 45 L 85 72 t 120 90 L 95

M16 190 < 32 50 32 t < 96 55 L 115 96 t 160 120 L 130

M20 340 < 40 60 40 t < 120 65 L 140 120 t 200 145 L 155

M22 490 < 44 65 44 t < 132 70 L 155 132 t 220 160 L 165

M24 600 < 48 75 48 t < 144 80 L 170 144 t 240 175 L 195

M27 940 < 54 85 54 t < 162 90 L 190 162 t 270 195 L 200

M30 1240 < 60 90 60 t < 180 95 L 200 180 t 300 -- L --

M36 2100 < 72 110 72 t < 216 115 L 200 216 t 360 -- L --

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HRC- Schrauben (DIN EN 14399-10)

ACHTUNG: Bruchfläche ohne Korrosionsschutz

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DTI- Scheibe (Lastanzeigende Scheibe)ACHTUNG: Gefahr von Spaltkorrosion

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Prüfen und Kennzeichnung von SchraubenPrüfungen von vorgespannten Schraubverbindungen muss zwischen 12 und 72 Stunden nach dem abschließenden Anziehen erfolgen.Die Gesamtzahl der in einem Tragwerk zu kontrollierenden Garnituren muss ( beim Drehmomentverfahren) wie folgt sein:- EXC 2 => 5%- EXC 3 und 4 => 10%Prüfung erfolgt durch Aufbringen des 1,05-fachen Anziehmomentes mittels kalibriertenDrehmomentschlüssels.Dreht sich die Schraubenmutter um mehr als 15°, gilt die Verbindung als nicht ausreichend vorgespannt.Die zu kontrollierenden Garnituren müssen nach dem Zufallsprinzip ausgewählt werden und sollten ggf. folgende Parameter erfassen: Anschlussart, Schraubengruppe, Los, Art und Größe der Verbindungsmittel, verwendete Ausrüstung und die Arbeitskräfte.Wird eine nicht ausreichende Vorspannung festgestellt, sind alle Garnituren einer Schraubengruppe zu prüfen.

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Prüfen und Kennzeichnung von Schrauben

Nach dem Vorspannen der Schraubengarnitur erfolgt das Kennzeichnen der Garnitur durch einen wasserunlöslichen Farbstift.

Nach dem Prüfen der Schraubengarnitur erfolgt das Kennzeichnen durch einen andersfarbigen wasserunlöslichen Farbstift oder durch das Kennzeichnen mit einem Kreuz.

Die einheitliche Vorgehensweise ist auf der Baustelle abzustimmen.

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DübelEin Synonym für viele verschiedene Befestigungsverfahren in Beton oder Mauerwerk.

Befestigungsverfahren im Beton- und Mauerwerksbau

Einlegemontage

Gewindehülse

Ankerschiene

Kopfbolzen

Sonstige

Nachträgliche Montage

Bohrmontage Direktmontage

MetallspreizdübelHinterschnittankerVerbunddübelVerbund-SpreizdübelVerbund- HinterschnittdübelBetonschraube

KunststoffdübelInjektionsdübelGasbetondübelM

auer

-w

erk

Bet

on

Setzbolzen

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Dübel

Die Befestigung in Beton oder Mauerwerk bedarf ebenso einer genauen Planung, wie auch einer genauen Ausführung.

Die Art und die Belastung vom Untergrund (z.B. gerissener Beton, Gitterziegel); die vom Dübel eingeleiteten Kräfte (z.B. Spreitzkräfte); die örtliche Situation (z.B. Randabstände); und sogar die klimatischen Bedingungen (Frost, Regen, etc.)sind wichtige Parameter zur Bestimmung eines geeigneten Befestigungselementes.

All diese Dinge an dieser Stelle vorzustellen und zu erläutern würde den Rahmen sprengen.

ABER – Eins ist in Hinblick auf die DIN EN 1090 noch wichtig!

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DübelJeder verwendete Dübel im Bereich der tragenden Bauprodukte braucht eine entsprechende europäische technische Zulassung.

Diese ETA beinhaltet die „Regeln zur Montage“, die zulässigen abzutragenden Lasten, die Abstände untereinander und die Randabstände.

Und (vor allem auch) das aufzubringende Drehmoment für den Dübel.Ein zu geringes Drehmoment kann das „Herausrutschen“ des Dübels aus dem Bohrloch zur Folge haben (zu geringe Spreitzkraft).Ein zu hohes Drehmoment kann das „Sprengen“ des Befestigungsgrundes zur Folge haben.Darum sind die erforderlichen Drehmomente immer mit einem kalibrierten Drehmomentschlüssel aufzubringen.

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Muss ein Montagebetrieb zertifiziert sein?

Einfache Antwort: NEIN

ABER: Wer ein Bauprodukt herstellt oder ein Bauprodukt in Verkehr bringt, muss

zertifiziert sein. D.h. nur der Hersteller selbst oder ein Importeur von Bauprodukten, die nicht im EU-Binnenmarkt hergestellt werden, muss sein Bauprodukt EU-konform mit CE-Zeichen kennzeichnen.

Wer ein bereits CE-gekennzeichnet Bauprodukt montiert bringt dieses nicht in Verkehr und ist selbst nicht CE-kennzeichnungspflichtig. Somit braucht er auch nicht zertifiziert sein.

Trotzdem gilt für den Montagebetrieb, dass er die Vorgaben zur fachgerechten Montage, wie sie in der DIN EN 1090-2 und -3 beschrieben worden sind, mindestens erfüllen muss.

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Muss ein Montagebetrieb zertifiziert sein?

Noch etwas schwieriger wird es, wenn man sich dem Thema „Schweißen“ auf der Baustelle widmet.

Hier galt bis zu Letzt, dass der Betrieb, der auf der Baustelle schweißen will, entweder eine Herstellerqualifikation nach DIN 18800-7 oder ein Schweißzertifikat nach DIN EN 1090 besitzen muss.

Da es die DIN 18800-7 nicht mehr gibt, bleibt nur die zweite Alternative.

Da zu befürchten ist, dass in der Überarbeitung der DIN EN 1090-1 zukünftig auch noch das Schweißzertifikat entfällt, wird es noch spannend, was die deutschen Bauaufsichten zukünftig fordern werden.

MÖGLICHERWEISE: Ein Zertifikat nach DIN EN ISO 3834 von einer akkreditierten Stelle.

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VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT.

Für Fragen stehe ich nun gerne zur Verfügung.

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