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Die Tacoma-Narrows- Brücke kollabierte 1940 aufgrund starker Winde. Die Schrauben im nördlichen mittleren Spannkabel waren Kräften ausgesetzt, für die sie nicht ausgelegt waren. „Die verwendete Schraubengröße kann sich darauf auswirken, wie viel Vorspannkraft angelegt werden muss – generell gilt, je größer der Schraubendurchmesser oder je stärker die Schraube, je höher ist die Vorspannkraft, die angelegt werden kann.“ dr jeff Vogwell, Bath University, UK Foto: getty images ersten Fall hält die Schraube nur einem geringen Teil der steigenden externen Belastung stand, im zweiten Fall hält die Schraube dem größten Teil der steigenden externen Belastung stand. Bill Eccles, ein BERATER im Bereich Schraubverbindungen und Gründer der britischen Website Bolt Science, ist einer der führenden unabhängigen Experten für Schraubverbindungstechnologie. Seiner Meinung nach ist es wichtig, die Kräfte, die auf eine Schraubverbindung einwirken sowie deren Verhältnis zueinander zu verstehen und zu berechnen, um die geeignete Schraubengröße zu bestimmen. „Eine Schraube hat normalerweise die Funktion, eine Vorspannkraft auf eine Verbindung auszuüben, damit es beim Einwirken externer Belastungen nicht zu einer Trennung oder einer Verschiebung innerhalb der Verbindung kommt. Die Schraube wird beim Anziehen unter Spannung gesetzt und leicht gedehnt, um eine optimale Zugkraft auf die Verbindung auszuüben.“ Die Verwendung einer möglichst großen Schraube ist laut Bill Eccles keine optimale Lösung. „Wenn eine Schraube zu groß ist, wirkt sich das nicht nur auf die Kosten aus. Wichtig ist auch, dass die Dehnfähigkeit der Schraube in dem Maß abnimmt, in dem sie im Verhältnis zu einer bestimmten Materialstärke größer wird. Dies wird durch die Tatsache verkompliziert, dass es in jeder Schraubverbindung zu einer Lösung der Verbindung oder einem Verlust der Vorspannkraft kommt, d. h. dass selbst wenn eine Schraube voll angezogen ist, das Material der Verbindung im Laufe der Zeit unter Druck etwas nachgibt. Da mit zunehmender Schraubengröße deren Dehnfähigkeit abnimmt, kann dies zu einer möglichen Lösung der Schraubverbindung und zur Bildung eines Spalts führen.“ Aber was passiert, wenn man eine kleinere Schraube verwendet? „Bei einer kleineren Schraube führt der Relaxationsverlust zu einem gewissen Verlust der Spannung, der aber nicht die gleiche Auswirkung hat, da die Schraube eine höhere Dehnfähigkeit besitzt.“ Dr Jeff Vogwell ist Dozent an der britischen Bath University am Fachbereich Maschinenbau. Seiner Meinung nach wird die erforderliche Schraubengröße im Allgemeinen von der Materialstärke der Schraube vorgegeben. „Die 10 bolted Nr. 1 2009
IllustrationEN: Kjell Eriksson Kraft Elastische Verbindung Kraft, die auf die Verbindung einwirkt Belastung Belastung der Schraube Belastung der Verbindung Beispiel einer harten Verbindung mit einer Schraube mit geringer Steifigkeit und einem hochsteifen Verbindungsmaterial. Die Schraube ist nur in geringem Umfang den steigenden externen Kräften ausgesetzt, ein erstrebenswerter Zustand. Kraft Steife Verbindung Belastung Kraft, die auf die Verbindung einwirkt Belastung der Schraube Belastung der Verbindung Hier muss die Schraube den Hauptteil der steigenden externen Kräfte tragen. Daher muss die Steifigkeit/ Größe der Schraube reduziert werden, entweder durch Verwendung einer kleineren Schraube oder durch die Reduzierung des Schaftdurchmessers. In diesem Beispiel eines Brückenelements besteht ein komplexes Verhältnis zwischen den Schraubverbindungen, d. h. dass ein Modellieren der Kräfte vor der Fabrikation dringend erforderlich ist. So ermitteln Sie die richtige Schraubengröße Die funktion einer schraubverbindung ist das Zusammenpressen von zwei oder mehr Teilen. Die spezielle Aufgabe einer Schraube ist es, eine Vorspannkraft auf die Verbindung auszuüben und Belastungen durch Abscheren, Verbiegen oder exzessive dynamische Belastungen zu widerstehen. Bei der Wahl der richtigen Schraube kommt es vor allem auf deren Vorspannkraft an, die so stark sein muss, dass sich die zusammengepressten Teile nicht gegeneinander verschieben oder teilen, wenn die Verbindung externen Belastungen ausgesetzt wird. Es ist immer von Vorteil, eine Schraube mit einem kleinen Durchmesser und einer großen Klemmlänge zu wählen, um den Verlust der Klemmkraft aufgrund von Senkungen zu verhindern und eine elastische Verbindung zu schaffen, die Vibrationen und auf die Verbindung einwirkende Kräfte kompensieren kann. Eine zu große Schraube erreicht die vorgegebene Vorspannkraft mit geringerer Dehnung als eine Schraube mit kleinerem Durchmesser. Daher kommt es in diesem Fall selbst bei einer geringen Senkung zu einer deutlichen Verschlechterung der Vorspannkraft. Außerdem nimmt die Schraube einen größeren Teil der Belastung auf als die zusammen gepressten Teile, da eine dicke Schraube weniger elastisch ist als eine dünne, was zu einer Ermüdung der Schraube führen kann. Die Wahl einer zu großen Schraube hat nicht immer eine Erhöhung der Vorspannkraft und somit einer richtig ausgelegten Schraubverbindung zur Folge. Stattdessen erhält man häufig eine Verbindung mit geringerer Vorspannkraft und einem hohen Risiko der Materialermüdung, die zudem teurer und schwieriger anzuziehen ist. Die Wahl der richtigen Schraubengröße ist von größter Bedeutung. So wählen Sie die richtige Schraube für die Verbindung: Identifizieren Sie als erstes die Art der Belastung. Bestimmen Sie die erforderliche Vorspannkraft für die Verbindung. Wählen Sie den geringsten Schraubendurchmesser, der die gewünschte Vorspannkraft erreichen kann. Wählen Sie eine effiziente Schraubensicherungsmethode. Bestimmen Sie die Anzugsmethode,die am besten für die Applikation geeignet ist. verwendete Schraubengröße kann beeinflussen, wie viel Vorspannkraft angelegt werden muss – als Daumenregel gilt, je größer der Schraubendurchmesser, je höher die Vorspannkraft, die angelegt werden kann.“ Eine stabile Schraubverbindung zeichnet sich laut Vogwell dadurch aus, dass die Schraube unter Vorspannung steht und somit die Teile der Verbindung durch Kompression verklemmt werden. Reibung zwischen den zusammen geklemmten Teilen sorgt dafür, dass die Verbindung Scherkräften widersteht und die Schraube somit geschützt wird. Eine Kraft, die danach strebt, die Bauteile zu trennen, muss zuerst die Teile „entkomprimieren“ – wodurch die Schraube bei variierender externer Belastung vor einer Ermüdung des Metalls geschützt wird. „Ein gutes Beispiel ist das Anziehen der Schrauben bei der Montage eines Zylinderkopfs im Motorblock eines Autos – ein hohes Anzugsdrehmoment ist erwünscht, um der Kraft Stand zu halten, die während eines Takts durch den Gasdruck in den Motorzylindern entsteht.“ Nobuyoshi Niina arbeitet als Mechanical Metier Manager bei Schlumberger im Stonehouse Technology Center im britischen Gloucestershire – einem Fachzentrum für Bohrtechnologie, das die Schlumberger Oilfield Services unterstützt. Das Zentrum arbeitet zum großen Teil mit der Entwicklung und Prüfung von Bohrausrüstung, wobei Schraubverbindungen einen wichtigen Bereich darstellen. „Schraubverbindungen spielen in Bohrwerkzeugen eine entscheidende Rolle, da sie extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen, Druck, Schlägen und Vibrationen standhalten müssen. Im laufenden Betrieb ist der Ausfall eines Bohrwerkzeugs im Hinblick auf Arbeitsstunden ein teurer Spaß und ein Wiederanlauf ist so gut wie unmöglich“. Bei der Berechnung möglichst starker Schraubverbindungen werden unterschiedliche Methoden eingesetzt. „Von einem Rechner wird die erforderliche Vorspannkraft für die Applikation auf Grundlage eines komplexen Algorithmus berechnet und modelliert, und es werden Losdrehsicherungen wie <strong>Nord</strong>-<strong>Lock</strong> Sicherungsscheibensysteme verwendet, um das ‚Ausschlagen‘ zu verhindern, welches durch lose Schrauben entsteht“, schließt Nobuyoshi Niina ab. bolted Nr. 1 2009 11
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