Verbindungsarten in Stahlkonstruktionen

Schweißen ist die wichtigste Verbindungsart in Stahlbau Derzeit. Es bietet die Vorteile, dass die Komponentenabschnitte nicht geschwächt werden, eine gute Steifigkeit, eine einfache Struktur, eine praktische Konstruktion und einen automatischen Betrieb aufweisen.

Die Funktion einer Verbindung besteht darin, Stahlplatten oder Formstähle in bestimmter Weise zu Bauteilen zusammenzufügen oder mehrere Bauteile zu einer Gesamtkonstruktion zu verbinden, so dass ein Zusammenwirken dieser gewährleistet ist.  

Verbindungsmethoden für Stahlkonstruktionen: Schweiß-, Niet und Schraubverbindung.

Verbindung von Stahlbaustrukturen - Schweißen

Vor- und Nachteile der Schweißverbindung

Vorteile:  

• Keine Schwächung des Bauteilquerschnitts, dadurch Stahlersparnis;  
• Kann in jede beliebige Form der Komponenten geschweißt werden, das Schweißen kann direkt erfolgen, im Allgemeinen sind keine weiteren Verbindungselemente erforderlich, die Komponenten sind einfach und die Herstellung ist arbeitssparend;  
• Die Verbindung ist gut fest und hat eine hohe Steifigkeit.  
• Einfach zu bedienende Automatisierung, hohe Produktionseffizienz.  

Nachteile:  

• Das Material in der Wärmeeinflusszone nahe der Schweißnaht wird spröde;  
• Es entstehen Schweißeigenspannungen und Verformungen in den Schweißteilen, welche sich negativ auf die Konstruktionsarbeit auswirken.  
• Schweißkonstruktionen sind sehr rissempfindlich. Sobald ein lokaler Riss auftritt, kann er sich schnell auf den gesamten Abschnitt ausbreiten, insbesondere bei niedrigen Temperaturen kann es leicht zu Sprödbrüchen kommen.

Weiterführende Literatur: Baustahlschweißen & Geschweißte Verbindungsstelle in Stahlkonstruktion

Verbindung von Stahlbaustrukturen - Verschraubung

Schraubverbindungen haben den Vorteil einer bequemen Installation, sind besonders für die Installation und Verbindung vor Ort geeignet, lassen sich aber auch leicht demontieren und eignen sich für die Notwendigkeit, die Struktur und die temporäre Verbindung zusammenzubauen und zu demontieren. Ihr Nachteil ist, dass sie an den Löchern ziehen und stumpfe Löcher stapeln müssen, was den Fertigungsaufwand erhöht; das Bolzenloch schwächt auch den Abschnitt des Elements, und die Verbindungsplatten müssen überlappt werden oder es müssen Verbindungsplatten oder Winkelstahl und andere Verbindungselemente hinzugefügt werden, sodass Stahl mehr kostet als Schweißverbindungen.  

Mit gewöhnlichen Bolzen verbinden

Bolzen mit hoher Festigkeit

Der Mechanismus der Scherkraftübertragung bei hochfesten Bolzenverbindungen unterscheidet sich von dem einer gewöhnlichen Bolzenverbindung. Gewöhnliche Bolzen übertragen Scherkräfte durch Bolzenscherwiderstand und Lagerdruck, während hochfeste Bolzenverbindungen Scherkräfte durch starken Reibungswiderstand zwischen verbundenen Platten übertragen.  

Bei der Montage wird die Mutter mit einem Spezialschlüssel mit großem Drehmoment angezogen, sodass die Schraube eine große Vorspannung hat. Die Vorspannung der hochfesten Schraube klemmt die verbundenen Teile so, dass die Kontaktfläche der Teile eine große Reibungskraft erzeugt und die äußere Kraft durch Reibung übertragen wird. Diese Verbindung wird als hochfeste Schraubenreibungsverbindung bezeichnet.  

Schrauben der Klasse C haben die Stärke 4.6 oder 4.8 und sind aus Q235-Stahl gefertigt.  

Schrauben der Güteklasse A und B entsprechen der Güteklasse 5.6 bzw. 8.8 und bestehen aus niedriglegiertem Stahl oder sind wärmebehandelt.  

Hochfeste Schrauben haben die Festigkeitsklasse 8.8 oder 10.9 und bestehen aus 45er-Stahl, 40B-Stahl und 20MnTiB-Stahl.  

Für hochfeste Schraubverbindungen gibt es zwei Berechnungsarten:  

1. Die Reibungsverbindung beruht nur auf dem starken Reibungswiderstand zwischen den verbundenen Platten, um die Kraft zu übertragen, und der Reibungswiderstand wurde gerade als Grenzzustand der Tragfähigkeit der Verbindung überwunden. Daher ist die Scherverformung der Verbindung gering und die Integrität gut.  

2. Bei Druckverbindungen wird durch die Reibung zwischen der Verbindungsplatte und der Bolzenverbindung eine Kraft ausgeübt, die die Bolzenschere oder den Bolzendruck (Druck) an die Grenze der Tragfähigkeit der Verbindung bringt.  

Hochfeste Bolzen werden in Löcher gebohrt. Reibungsartige Verbindung, Öffnung als Bolzennenndurchmesser 1.5–2.0 mm, Drucktyp 1.0–1.5 mm. Um die Reibung zu verbessern, sollten auch die Kontaktflächen der Verbindung behandelt werden.

Verbindungsniet für Stahlbaukonstruktionen

Bei einer Nietverbindung werden Nieten mit einem halbrunden, vorgefertigten Nagelkopf an einem Ende hergestellt. Der rot erhitzte Nagelstab wird dann schnell in das Nagelloch des Verbinders eingeführt. Anschließend wird das andere Ende mit einer Nietpistole in einen Nagelkopf genietet, um die Verbindung zu sichern.

Vorteile: Zuverlässige Nietkraftübertragung, gute Formbarkeit, Zähigkeit, Qualität lässt sich leicht prüfen und garantieren, kann für schwere und direkt tragende dynamische Laststrukturen verwendet werden.  

Nachteile: Der Nietvorgang ist komplex, die Herstellung erfordert hohe Arbeits- und Materialkosten und ist sehr arbeitsintensiv, sodass er grundsätzlich durch Schweißen und hochfeste Schraubverbindungen ersetzt wird.

Der Verbindungsmodus und seine Qualität wirken sich direkt auf die Arbeitsleistung des Stahlstruktur. Die Verbindung von Stahlkonstruktionen muss den Grundsätzen von Sicherheit und Zuverlässigkeit, klarer Kraftübertragung, einfacher Struktur, bequemer Herstellung und Stahleinsparung entsprechen. Die Verbindung muss ausreichend stabil sein und über ausreichend Platz für die Verbindung verfügen.