Die Scherfestigkeit eines Bolzens ist die höchste seitliche Kraft, die ein Bolzen aushalten kann, bevor er entlang seiner Querschnittsfläche bricht.
Eine falsche Berechnung der Scherfestigkeit von Bolzen kann zu einem Versagen der Verbindungselemente führen. Dies führt zu Schäden und sogar gefährlichen Unfällen.
Dieser Artikel beschreibt die Definition der Scherfestigkeit von Bolzen, Berechnungsmethoden und die Auswahl der Bolzenfestigkeitsklasse für die jeweilige Last in einer Verbindung.
Was ist die Scherfestigkeit von Bolzen?
Eine Kraft, die auf den Bolzen ausgeübt wird, der zwei Teile verbindet und dazu neigt, sie relativ zueinander gleiten zu lassen, wird als Scherung erfahren.
Bei der Scherung wird die Last senkrecht zur Achse des Bolzens aufgebracht, im Gegensatz zur Zugbelastung, bei der die Last parallel zur Achse des Bolzens aufgebracht wird.
Für die meisten Bolzen gibt es keine spezifizierte Scherfestigkeit. Die Scherfestigkeit eines Bolzens wird aus der Zugfestigkeit des Bolzens unter Verwendung eines bekannten Verhältnisses berechnet.
Unter Verwendung der allgemein anerkannten Gleichung, die mit den Spezifikationen von AISC und Eurocode 3 übereinstimmt, wird das Verhältnis von Scher- zu minimaler ultimativen Zugfestigkeit auf etwa 60 % festgelegt.
Scherfestigkeit vs. Zugfestigkeit: Hauptunterschiede
Diese beiden Arten von Festigkeiten messen unterschiedliche Versagensarten.
Die Zugfestigkeit misst den Bruchwiderstand eines Bolzens unter axialer Zugspannung. Die Scherfestigkeit misst hingegen den Widerstand gegen Scherung des Bolzenschafts.
Beide Werte sind wichtig, aber in unterschiedlichen Verbindungsgeometrien. Ein geflanschter Bolzen unter Innendruck belastet die Bolzen auf Zug.
Eine Überlappverbindung oder eine an einem Träger befestigte Konsole belastet die Bolzen auf Scherung. Viele reale Baugruppen kombinieren beides, weshalb Ingenieure Interaktionsformeln verwenden, wenn kombinierte Lasten auftreten.
Für Beschaffungszwecke ist die Tabelle der Zugfestigkeit von Bolzen die primäre Referenz. Die Scherfestigkeit wird dann von diesem Wert abgeleitet, anstatt auf den meisten Datenblättern für Bolzen unabhängig spezifiziert zu werden.
Scherfestigkeit von Bolzen nach Festigkeitsklasse
Die folgende Tabelle zeigt die minimale Zugfestigkeit, die abgeleitete Scherfestigkeit und typische Anwendungen für gängige metrische und imperial Bolzenfestigkeitsklassen. Die Scherwerte werden mit 60 Prozent der minimalen Zugfestigkeit berechnet.
| Klasse | Standard | Min. Zugfestigkeit (MPa) | Abgeleitete Scherfestigkeit (MPa) | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|---|
| 4.8 | ISO 898-1 | 420 | 252 | Leichte Konstruktion, allgemeine Montage |
| 8.8 | ISO 898-1 | 800 | 480 | Baustahl, Maschinen |
| 10.9 | ISO 898-1 | 1040 | 624 | Automobil, schwere Maschinen |
| 12.9 | ISO 898-1 | 1220 | 732 | Hochbelastete, präzise Baugruppen |
| Klasse 5 | SAE J429 | 827 | 496 | Allgemeine Industrie, imperial |
| Güte 8 | SAE J429 | 1034 | 620 | Konstruktion, Antriebsstrang, hohe Belastung |
| A325 | ASTM F3125 | 827 | 496 | Stahlbauverbindungen |
| A490 | ASTM F3125 | 1034 | 620 | Schwere Konstruktion, Brücken |
Diese Tabelle der Bolzenfestigkeit deckt die am häufigsten in Industrie und Bauwesen verwendeten Festigkeitsklassen ab.
Für eine detailliertere Tabelle der Zugfestigkeit von Bolzen für alle Größen und Unterklassen siehe ISO 898-1 für metrische und ASTM F3125 für imperiale Konstruktionsklassen.
Berechnung der Scherfestigkeit von Bolzen
Die Grundformel für die Scherfestigkeit eines Bolzens bei einfacher Scherung lautet:
Scherfestigkeit = 0,6 x Fub x As
Wobei Fub die minimale Zugfestigkeit in MPa und As die Spannungsfläche des Bolzens in Quadratmillimetern ist.
Beispiel
Ein Bolzen der Größe M16, Festigkeitsklasse 10.9, hat eine Spannungsfläche von 157 mm² und eine minimale Zugfestigkeit von 1.040 MPa.
Scherfestigkeit = 0,6 x 1.040 x 157 = 97.968 N, ungefähr 98 kN pro Bolzen.
Diese Abbildung stellt die theoretische Einzelscherfestigkeit einer Schraube dar, bevor ein Sicherheitsfaktor angewendet wird.
Bei der Tragwerksplanung wendet die Eurocode 3 einen Teilsicherheitsfaktor von 1,25 an. Dies reduziert die Bemessungsscherfestigkeit in der Praxis auf etwa 78 kN für diese Schraube.
Bei metrischen Schrauben gilt die gleiche Formel, wobei die Zugfestigkeit in Pfund pro Quadratzoll (psi) und die Spannungsfläche in Quadratzoll verwendet werden.
Eine 1/2-Zoll-Schraube der Festigkeitsklasse 8 mit einer Spannungsfläche von 0,1419 in² und einer Zugfestigkeit von 150.000 psi ergibt eine Einzelscherfestigkeit von etwa 0,6 x 150.000 x 0,1419 = 12.771 lbf. Das sind ungefähr 12,8 kips.
Einfache Scherung vs. Doppelte Scherung
Die Anzahl der Scherebenen in einer Verbindung ändert die wirksame Tragfähigkeit jeder Schraube erheblich.
Einfache Scherung
Bei einer Einzelscherverbindung durchläuft die Schraube eine Scherebene. Eine einfache Überlappungsverbindung, bei der zwei Platten überlappen und durch Schrauben verbunden sind, ist eine typische Einzelscherkonfiguration. Jede Schraube nimmt die volle angelegte Last über einen Querschnitt auf.
Doppelte Scherung
Bei einer Doppelscherverbindung durchläuft die Schraube drei Platten: ein inneres und zwei äußere Bauteile.
Dies erzeugt zwei Scherebenen, und die Schraube nimmt Last über zwei Querschnitte gleichzeitig auf. Dies verdoppelt effektiv die Scherfestigkeit der Schraube bei gleichem Schraubendurchmesser und gleicher Festigkeitsklasse.
Kopfplattenverbindungen, Gabelgelenke und einige Träger-Stützen-Verbindungen verwenden Doppelscherkonfigurationen, um die Anzahl der Schrauben zu reduzieren oder Schrauben mit kleinerem Durchmesser zu verwenden. Bei der Berechnung der Tragfähigkeit für Doppelscherung multiplizieren Sie den Wert der Einzelscherung mit zwei.
Auswahl der richtigen Bolzenfestigkeitsklasse für Scherkräfte
- Diese Radnabenschraube der Güteklasse 10.9 wird aus hochfestem Stahl 40Cr oder 35CrMo hergestellt und ist mit einer schwarzen Oxidschicht versehen, die eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Robustheit gewährleistet.
Die Auswahl einer Festigkeitsklasse beginnt mit der Berechnung der Bemessungsscherlast pro Schraube und der anschließenden Zuordnung zu einer Festigkeitsklasse, die eine ausreichende Tragfähigkeit mit dem erforderlichen Sicherheitsfaktor bietet.
Einige praktische Richtlinien helfen bei der Eingrenzung der Auswahl:
Bei allgemeinen Stahlbauverbindungen gemäß AISC sind Schrauben der Klassen A325 oder A490 Standard. A490 eignet sich für Verbindungen mit höherer Last, bei denen A325 mehr Schrauben erfordern würde.
Bei metrischen Anwendungen im Stahlbau nach Eurocode 3 deckt die Festigkeitsklasse 8.8 die meisten Standardverbindungen ab. Die Festigkeitsklasse 10.9 wird verwendet, wenn die Geometrie der Verbindung die Anzahl oder den Durchmesser der Schrauben begrenzt.
Für Automobilindustrie und Maschinenbau, hochfeste Schrauben der Festigkeitsklassen 10.9 oder 12.9 bewältigen vibrationsintensive Umgebungen. Hier würden niedrigere Festigkeitsklassen eine engere Drehmomentkontrolle oder Sicherungselemente erfordern, um ein Lösen zu verhindern.
Das Material ist wichtiger als die Festigkeitsklasse. Hochfeste Schrauben aus Duplex-Edelstahl oder legiertem Stahl werden dort eingesetzt, wo Korrosionsbeständigkeit und die Scherfestigkeit beide erfüllt sein müssen. Dies gilt insbesondere für Anwendungen im Marine-, Chemie- und Energiebereich.
CNXD liefert hochfeste Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 bis 12.9 aus Kohlenstoffstahl, legiertem Stahl und Speziallegierungen. Dies verfügt über IATF 16949 Qualitätsdokumentation und vollständige Materialrückverfolgbarkeit.
Sondergrößen und nicht standardmäßige Gewindeformen sind ebenfalls erhältlich. Kontaktieren Sie CNXD, um Muster für die Bewertung von tragenden Anwendungen anzufordern.
