Prüfkraft vs. Streckgrenze und Zugfestigkeit bei der Schraubenauswahl: Was die Quellenlage belegt

Prüfkraft ist der Qualifikationswert, nicht die Zugfestigkeit

Prüfkraft, Streckgrenze und Zugfestigkeit sind allesamt Mindestwerte, die eine Norm festlegt und die eine Schraube erfüllen muss, um als bestimmte Güte oder Festigkeitsklasse zu qualifizieren ⁴. Sie sind nicht drei Sichtweisen auf dieselbe Eigenschaft. ASTM A354, Güte BD, 1/2-13, muss 17,050 lbf Prüfkraft, 18,500 lbf Streckgrenze und 21,300 lbf Zugfestigkeit erreichen – drei getrennte, normativ festgelegte Mindestwerte für eine einzige Schraube ⁴. Prüfkraft und Streckgrenze sind ähnliche Prüfungen, sodass eine Norm die Streckgrenzen-Anforderung zugunsten der Prüfkraft weglassen kann; SAE J429 wird als Beispiel genannt ⁴. In diesem Fall ist die Prüfkraft der einzige Festigkeitswert, den die Norm liefert, und sie wird zur Bezugsgröße, an der ein Angebot oder Datenblatt zu messen ist. ISO 898-1, Klasse 12.9, ist umgekehrt spezifiziert, mit einer Mindestzugfestigkeit von 1220 MPa und einer Mindeststreckgrenze (Prüfspannung) von 1100 MPa ¹⁰. Für die Güteauswahl bedeutet das praktisch: Die Zugfestigkeit, mit der ein Lieferant wirbt, belegt für sich genommen nicht, dass die Schraube die Güte erfüllt. Fragen Sie, welcher Norm und welcher Ausgabe die Schraube zertifiziert ist und welche der drei Werte diese Norm tatsächlich vorschreibt.

Prüfspannung je Güte: Güten unterhalb der Verbindungsanforderung ausscheiden

Die publizierten Prüfspannungen unterscheiden sich je nach Güte und Norm, und die folgenden Werte sind indikativ – sie müssen für den maßgeblichen Durchmesser und die Normausgabe bestätigt werden, bevor sie in eine Spezifikation eingehen ¹. Die Tabelle ist ein erstes Sieb: Eine Güte, deren publizierte Prüfspannung unter dem liegt, was die Verbindung benötigt, scheidet aus, bevor irgendwelche Drehmoment- oder Vorspannarbeiten beginnen.

Gleiche Zugfestigkeit macht zwei Güten nicht austauschbar

A4-80 nichtrostender Stahl und die Festigkeitsklasse 8.8 tragen beide eine nominale Zugfestigkeit von 800 MPa, sind aber nicht automatisch gleichwertig ¹. Ihre Mindest-Prüf- bzw. Streckgrenze, Zähigkeit, Härte, Reibung, Anziehverhalten, Fressneigung (Galling) sowie die Anforderungen an passende Muttern und Scheiben können allesamt abweichen, und ein Materialwechsel kann die Vorspannstreuung und das Ermüdungsverhalten verändern, selbst wenn die Schraubenabmessungen gleich bleiben ¹. Die indikativen Prüfspannungen machen die Lücke sichtbar: rund 600 MPa bei A4-80 gegenüber rund 640 MPa bei 8.8 ¹. Dasselbe gilt für das Gegenstück. Eine Schraube der Güte 8 mit einer Mutter der Güte 2 versagt an der Mutter, daher werden Güten über die gesamte Verbindung hinweg abgestimmt und nicht schrauben zuerst ¹². Wo eine Verbindung tatsächlich eine Vorspannung auf 10.9- oder 12.9-Niveau benötigt, darf gewöhnlicher A2/A4-nichtrostender Stahl nicht allein wegen der Korrosionsbeständigkeit substituiert werden; die genannten Alternativen sind ein qualifiziertes beschichtetes hochfestes Verbindungselement, Duplex-Edelstahl, eine korrosionsbeständige Legierung oder eine neu ausgelegte Verbindung – je nach Umgebung und maßgeblichem Regelwerk ¹. Vor dem Akzeptieren einer Substitution ist auch die Fertigungsnorm zu prüfen, nicht nur der Festigkeitswert. Schrauben der Güte 8 haben Festigkeitswerte ähnlich denen von A490-Schrauben, sind aber nach einer anderen Norm gefertigt (SAE J429 gegenüber ASTM F3125) und sind im Stahlbau ohne ingenieurmäßige Freigabe im Allgemeinen nicht austauschbar ¹¹.

Vorspannung als begrenzten Anteil festlegen, dann ein für die Verbindung verträgliches Kontrollverfahren wählen

Ein verbreitetes Verfahren berechnet die Vorspannung als Zugfestigkeit der Schraube geteilt durch einen Sicherheitsfaktor, typischerweise 2–3; bei einer 800-MPa-Schraube und einem Faktor von 2 ergeben sich 400 MPa ². Die Quellen legen kein Vorspannziel fest, das als Prozentsatz der Prüfkraft ausgedrückt ist; behandeln Sie das Zugfestigkeitsverfahren daher als einen publizierten Ansatz und nicht als die Regel. Die Vorspannung muss auf beiden Seiten begrenzt werden. Zu viel kann die Schraube dehnen oder brechen, Bauteile beschädigen oder Spannungsrisskorrosion begünstigen; zu wenig führt zu Lockerung, Ermüdung, Trennung der Verbindung oder Gleiten ¹⁴. Die größtmögliche Vorspannung ist nicht die beste ¹⁴. Eine korrekte Vorspannung ist es, die kleinere oder weniger Verbindungselemente erlaubt; das Ziel ist also eine Konstruktionseingangsgröße, keine zu maximierende Reserve ¹⁴. Wie genau das Ziel getroffen wird, hängt vom Kontrollverfahren ab. Drehmomentkontrolle streut mit ±25–40 %, weil Reibung und Gewindezustand dazwischenkommen; Winkelkontrolle streut mit ±10–15 % und ist für kritische Verbindungen besser geeignet ⁷. Schraubenlängung, hydraulisches Vorspannen und Drehmoment-Winkel-Verfahren werden eingesetzt, wenn höhere Genauigkeit erforderlich ist ⁷. Wählen Sie das Verfahren anhand der Streuung, die die Verbindung verkraften kann – nicht anhand des höchsten verfügbaren Werts.

Durchmesser und Normausgabe bestätigen, bevor das Maß eingefroren wird

Die Prüfkraft wird je Durchmesser spezifiziert. Die ASTM-A354-Werte für Güte BD – 17,050 lbf Prüfkraft, 18,500 lbf Streckgrenze, 21,300 lbf Zugfestigkeit – gelten ausdrücklich für das Maß 1/2-13 ⁴. Ein für einen Durchmesser genannter Wert lässt sich nicht auf einen anderen übertragen, und die Quellen dieses Satzes reproduzieren die Prüfkrafttabellen je Durchmesser und Gewindesteigung nicht. Das macht die Normausgabe zu einem Beschaffungsgegenstand, nicht zu einer Fußnote. Fordern Sie den Lieferanten auf, die Norm und Ausgabe zu nennen, auf die die Schraube zertifiziert ist, und den Prüfkraftwert für den genau angebotenen Durchmesser und die Steigung anzugeben.

Güten und Beschichtungen ausscheiden, die die Betriebsumgebung nicht verträgt

Festigkeitsklasse und Umgebung wirken zusammen. ISO 898-1 warnt ausdrücklich, dass Verbindungselemente der Klasse 12.9 anfällig für Spannungsrisskorrosion sind, einschließlich wasserstoffunterstützter Spannungsrisskorrosion, und dass sie in korrosiven Umgebungen nur mit äußerster Vorsicht eingesetzt werden sollten ¹⁰. Das Härteband erklärt den Unterschied: Klasse 12.9 liegt bei 39–44 HRC, in der Hochrisikozone mit praktisch null Toleranz für atomaren Wasserstoff, während eine Schraube der Klasse 10.9 bei 32–39 HRC einige partes per million diffusiblen Wasserstoffs vertragen kann, bevor ein Riss entsteht ¹⁰. Wo hohe Festigkeit ohne dieses Risiko benötigt wird, werden Zinklamellenbeschichtungen für hochfeste Verbindungselemente eingesetzt, oft Klasse 10.9–12.9, mit null Risiko Wasserstoffversprödung und für Dauerbetrieb bis 300 °C ²⁰. Benötigt die Verbindung eine Vorspannung auf 10.9- oder 12.9-Niveau, ist gewöhnlicher A2/A4-nichtrostender Stahl nicht der korrosionsbeständige Ersatz – genannte Wege sind ein qualifiziertes beschichtetes hochfestes Verbindungselement, Duplex-Edelstahl, eine korrosionsbeständige Legierung oder eine Neuauslegung der Verbindung ¹. Keine Quelle dieses Satzes quantifiziert einen Abwertungsfaktor der Prüfkraft für Beschichtung oder Temperatur; jede Abwertung in der Spezifikation muss daher aus der einschlägigen Norm stammen und nicht aus einer Lieferantentabelle.

Prüf- und Rückverfolgbarkeitsumfang in die Angebotsanfrage schreiben

Ein Angebot, das den Qualifikationsnachweis der Prüfkraft auslässt, lässt sich nicht gegen die Norm prüfen; die Angebotsanfrage muss ihn daher ausdrücklich einfordern. Ein belastbares technisches benötigt Norm und Ausgabe, Schraubentyp, Durchmesser, Länge und Gewindesteigung, Werkstoff und Festigkeitsklasse, Beschichtung oder Schmiermittel, Menge, Betriebstemperatur und Korrosionsumgebung, Beschreibung der Verbindung, Drehmoment- oder Vorspannanforderung, Mutter-Scheibe-Kombination, Rückverfolgbarkeit der Charge, MTC/CoC und die Prüfanforderungen ⁹. Eine Anfrage, die nur „M16 nichtrostende Schraube“ lautet, genügt nicht ⁹.

• Norm und Ausgabe, auf die die Schraube zertifiziert ist, plus den Prüfkraftwert für den angebotenen Durchmesser und die Steigung ⁹
• Festigkeitsklasse, Beschichtung oder Schmiermittel sowie Mutter-Scheibe-Kombination als ein System ausgewiesen ⁹
• Rückverfolgbarkeit der Charge und MTC/CoC für die gelieferten Chargen ⁹
• Prüfung auf Wasserstoffversprödung nach ISO 15330 bei 75 % der Prüfkraft über mindestens 200 Stunden, keine Ausfälle zulässig, wenn hochfeste Verbindungselemente beteiligt sind ⁵
• Reibbeiwert-Prüfung nach ISO 16047, wenn die Verbindung eine spezifizierte Klemmkraft hat ⁵
• Haftungsprüfung der Beschichtung je Produktionscharge, wenn feuerverzinktes Zubehör spezifiziert ist ⁵

Entscheiden, ob die höhere Güte wirklich benötigt wird

Überspezifizierung verschwendet Geld, Unterspezifizierung erzeugt Sicherheitsrisiken; hochfestere Verbindungselemente sind nicht immer erforderlich und können die Projektkosten unnötig erhöhen ^{16, 22}. Eine Verbindung ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied, deshalb müssen Mutter, Scheibe und geklemmtes Material zur Festigkeit der Schraube passen ¹⁶. Eine korrekte Vorspannung ist der Hebel, mit dem kleinere oder weniger Verbindungselemente die Aufgabe erfüllen; die Güteentscheidung sollte daher der Vorspannberechnung folgen und nicht vorangehen ¹⁴. Wo eine Stahlbaunorm gilt, ist die Güte keine freie Wahl: Der Ersatz standardisierter Sechskantschrauben, wo A325- oder A490-Stahlbauschrauben spezifiziert sind, ist ein Verstoß gegen das Regelwerk ¹².

Wo die Quellen uneinig sind

Zwei Meinungsverschiedenheiten sind für die Spezifikation relevant. Die erste betrifft die Grundlage der Vorspannung: Eine Quelle leitet sie aus der Zugfestigkeit mit einem Sicherheitsfaktor von 2–3 ab, während die Wasserstoffversprödungs-Protokolle die Prüfspannung als Prozentsatz der Prüfkraft ausdrücken. Die zweite betrifft den Status der Schwellenwerte der Wasserstoffversprödung – die Quelle, die sie veröffentlicht, kennzeichnet sie zugleich als willkürlich, daher sollten sie nicht als verbindliche Grenzwerte geschrieben werden.

Häufige Fragen

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