Ist eine Gewindestange so fest wie eine Schraube? Spannungsquerschnitt, Festigkeitsklasse und die Unterschiede

Käufer fragen oft, ob eine Gewindestange eine Schraube ersetzen kann. Unter reiner Zugbelastung lautet die Antwort bei gleicher Größe und Festigkeitsklasse meist ja. In anderen Fällen hängt es davon ab, wie die Verbindung belastet wird.

Was „Festigkeit“ bei einem Verbindungselement bedeutet

• Zugfestigkeit: die Spannung, bei der das Verbindungselement bricht. Die Mindestbruchkraft ist die Mindestzugfestigkeit multipliziert mit dem Spannungsquerschnitt.
• Prüfkraft: die Kraft, die das Verbindungselement ohne bleibende Dehnung aufnehmen muss. Nach ISO 898-1 ist sie die Prüfspannung multipliziert mit dem Spannungsquerschnitt.
• Spannungsquerschnitt: der wirksame Querschnitt des Gewindeteils. ISO 898-1 gibt ihn als As = π/4 × (d − 0.9382 P)² an, wobei d der Nenndurchmesser und P die Steigung ist.

Warum Gewindestange und Schraube dieselbe Zugkraft tragen

Eine Schraube unter Zug wird durch ihr Gewinde begrenzt, nicht durch ihren Schaft, weil der Spannungsquerschnitt kleiner ist als der Schaft. Eine Gewindestange hat diesen Spannungsquerschnitt einfach auf ganzer Länge. ISO 898-1 stellt an Schrauben und Stiftschrauben dieselben Anforderungen und behandelt einen durchgehend mit Gewinde versehenen Gewindebolzen als Verbindungselement in voller Größe. Eine Gewindestange M12 der Festigkeitsklasse 8.8 und eine Schraube M12 der Festigkeitsklasse 8.8 haben daher dieselben festgelegten Mindestkräfte.

Rechenbeispiel: M12 Regelgewinde (berechnet)

M12 hat eine Steigung von 1,75 mm, der Spannungsquerschnitt beträgt somit 84,3 mm², gegenüber 113,1 mm² für einen glatten Schaft von 12 mm. Mit der Prüfspannung und der Mindestzugfestigkeit nach ISO 898-1 für jede Klasse:

• Festigkeitsklasse 4.8: Prüfkraft 26,1 kN, Mindestbruchkraft 35,4 kN
• Festigkeitsklasse 8.8: Prüfkraft 48,9 kN, Mindestbruchkraft 67,4 kN
• Festigkeitsklasse 10.9: Prüfkraft 69,9 kN, Mindestbruchkraft 87,6 kN

Diese Werte sind aus den Nennwerten der Norm berechnet. Sie sind keine Prüfergebnisse und keine Bemessungswiderstände, für die nach Ihrer Bemessungsnorm Sicherheitsbeiwerte gelten.

Die Festigkeitsklasse bestimmt die Festigkeit

• Metrische Gewindestange: nach Festigkeitsklasse gemäß ISO 898-1 bestellen. Festigkeitsklasse 4.8 ist kohlenstoffarmer Stahl; 8.8 und 10.9 sind vergütet.
• ASTM A307 Grade A: Schrauben, Stiftschrauben und Gewindestangen für allgemeine Anwendungen, Mindestzugfestigkeit 60 ksi.
• ASTM A193 Grade B7: Schraubenverbindungen aus legiertem Stahl für hohe Temperaturen oder hohe Drücke, 125 ksi Mindestzugfestigkeit und 105 ksi Mindeststreckgrenze bis 2½ in.
• ASTM F1554: Ankerstangen für Betonfundamente. Die Grade-Zahl ist die Mindeststreckgrenze in ksi; die Grades 36, 55 und 105 haben Mindestzugfestigkeiten von 58, 75 und 125 ksi.

Wo eine Gewindestange kein direkter Ersatz ist

1. Eine Mutter als Kopf. Portland Bolt, ein US-Hersteller von Ankerschrauben, berichtet, dass in eigenen Versuchen Gewindestangen mit Mutter bis zu 12 % weniger Festigkeit erreichten als Kopfschrauben aus derselben Stahlcharge und oft an der Mutter brachen. Das Unternehmen rät, vor einem Ersatz die Zustimmung des verantwortlichen Tragwerksplaners einzuholen.
2. Abscherung im Gewinde. Bei einer Gewindestange liegt immer Gewinde in der Scherfuge. Bemessungsregeln wie AISC 360 setzen eine geringere Scherfestigkeit an, wenn das Gewinde nicht aus der Scherfuge ausgeschlossen ist.
3. Biegung und schräge Lasten. Portland Bolt weist darauf hin, dass Kopfschrauben unter schrägen Lasten oder Momentenbelastung besser abschneiden, sodass ein Ersatz eine Neubemessung erfordern kann.
4. Die Mutter. Passen Sie die Mutter an die Gewindestange an: nach ISO 898-2 Muttern der Festigkeitsklasse 8 zu 8.8, Festigkeitsklasse 10 zu 10.9. Portland Bolt kombiniert A193 B7 mit schweren Sechskantmuttern A194 2H und A307 Grade A mit Muttern A563 Grade A.

Die Bestellzeile

Gewindestange DIN 976-1 – M12 × 1000 – 8.8 – galvanisch verzinkt, mit Muttern ISO 4032 Festigkeitsklasse 8

Bei Zoll-Gewindestangen nennen Sie ASTM-Spezifikation und Grade, Gewinde, Länge und Mutter, zum Beispiel Gewindestange A193 B7 mit Muttern A194 2H.

Was Sie senden sollten

1. Größe, Länge und Festigkeitsklasse oder ASTM-Grade.
2. Wie die Gewindestange belastet wird: Zug, Abscherung oder Biegung, und ob sie eine Kopfschraube ersetzt.
3. Oberfläche sowie die benötigten Muttern und Unterlegscheiben.
4. Menge und die Prüfbescheinigung, die Sie mit der Sendung benötigen.