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Befestigungstechnik: Moment, ich verbinde …

Schraubverbindungen

Bei den Schrauben sorgen zwei verschiedene Herstellungsverfahren für unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten. Schrauben mit einem geschnittenen Gewinde werden dabei zwar aus diversen Materialqualitäten gefertigt, grundsätzlich können aber durchweg 400 N/mm2 als Zugfestigkeit angesehen werden. Bei den Abmessungen einer solchen Schraube gilt grundsätzlich, dass der Durchmesser am Schaft am größten und der am Gewindekern am kleinsten ist. Zusätzlich entspricht der Außendurchmesser des Gewindes dem Schaftdurchmesser. Die Schrauben mit einem gewalzten oder geschmiedeten Gewinde weisen durch die höhere Stahlqualität durchweg eine Zugfestigkeit von 800 N/mm2 auf. Durch das Herstellungsverfahren lassen sich die verschiedenen Teilbereiche speziellen Anforderungen anpassen, beispielsweise können Spitze und der Übergang von Gewinde zu Schaft so ausgebildet werden, dass die Schraube sich selbst ein Loch bohrt. Der Schaftdurchmesser einer solchen Schraube entspricht hier ihrem Gewindekerndurchmesser, das bedeutet im Umkehrschluss, dass das Gewindeaußenmaß immer größer ist als der Schaftdurchmesser. Nach der EN 14592 dürfen nur Schrauben mit einem Nenndurchmesser zwischen 2,4 und 24 mm für tragende Zwecke eingesetzt werden.
 

Schrauben sind in zwei Richtungen belastbar

Schrauben können sowohl auf Abscheren als auch auf Herausziehen beansprucht werden. Dem Abscheren setzen die Schrauben den sogenannten Tragwiderstand entgegen, für den unter anderem auch der Schraubendurchmesser und die Stahlqualität entscheidend sind. Wenn eine geschraubte Verbindung versagt, ist entweder ein zu hoher Druck in der Lochlaibung (also die zu geringe Druckfestigkeit des Holzes) oder ein plastisches Versagen der Schraube oder auch beides gleichzeitig verantwortlich. Durch eine größere Holzdicke kann dem Versagen der Lochlaibung entgegengewirkt werden, ein größerer Schraubendurchmesser verhindert das plastische Versagen des Stahls.
Schrauben können  anders als Nägel und Klammern aber auch dauerhaft große Kräfte in Richtung der Schraubenachse aufnehmen. Die dazu nötige Verzahnung von Gewinde und Holz respektive Metall ist dabei abhängig vom Verhältnis von Gewindekern- zu Gewindeaußendurchmesser der Schraube. Standardmäßig liegt das zwischen 0,6 und 0,75. Zusammen mit einem Nenndurchmesser der Schraube zwischen 6 und 12 Millimetern lässt sich aus der Verhältniszahl anhand einer empirischen Formel die sogenannte charakteristische Ausziehfestigkeit ermitteln, aus der heraus sich sämtliche weitere statischen Parameter der Schraube bestimmen lassen. Diese Parameter sind allerdings davon abhängig, dass der Kraft-Faser-Winkel nicht unter 30° liegt, da sonst die Rissgefahr im Holz steigt.
Das Besondere bei Schraubverbindungen ist die Tatsache, dass es durch die Interaktion der beiden Tragmechanismen zu einer Erhöhung des Tragwiderstands auf Abscheren kommt. Durch Vorbohren können die durch das Schrauben üblicherweise auftretenden Spannung im Holz minimiert werden. Für Schrauben mit geschnittenem Gewinde gilt, dass sie mit Schaftdurchmesser respektive dem Gewindekerndurchmesser vorgebohrt werden. Bei Schrauben mit einem gewalzten oder geschmiedeten Gewinde ist mit dem Gewindekerndurchmesser vorzubohren.

Der Senkkopf 90° fräst sich mit seinen kleinen Rippen unterhalb des Kopfes seine eigene Vertiefung im Holz. Ein Ansenken ist nicht nötig. (Bild: Spax International)

Der Senkkopf 90° fräst sich mit seinen kleinen Rippen unterhalb des Kopfes seine eigene Vertiefung im Holz. Ein Ansenken ist nicht nötig. (Bild: Spax International)

Der Senkkopf 60° bietet aufgrund des kleineren Winkels nicht ganz die Auszugswiderstand des Senkkopf 90°. Einsatz vorwiegend bei der Boden- oder Dielenverlegung. (Bild: Spax International)

Der Senkkopf 60° bietet aufgrund des kleineren Winkels nicht ganz die Auszugswiderstand des Senkkopf 90°. Einsatz vorwiegend bei der Boden- oder Dielenverlegung. (Bild: Spax International)

Der Tellerkopf sorgt für den höchsten Anpresszug zwischen zwei Bauteilen. Er findet überwiegend im konstruktiven Holzbau Anwendung. (Bild: Spax International)

Der Tellerkopf sorgt für den höchsten Anpresszug zwischen zwei Bauteilen. Er findet überwiegend im konstruktiven Holzbau Anwendung. (Bild: Spax International)

2. Nagelverbindungen

Auch die Nägel werden in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in die glattschaftigen Nägel (auch Drahtstifte genannt) und in die Sondernägel. Die glattschaftigen Nägel können letztlich nur auf Abscheren beansprucht werden, auf Herausziehen halten sie den Belastungen höchstens kurzzeitig stand. Diese Nägel müssen nicht zwingend einen runden Schaft haben, die rechteckigen und quadratischen Exemplare bieten sogar eine um 20% höhere Tragfähigkeit. Die Durchmesser liegen zwischen 1,8 und 8 mm. Um den Widerstand gegen Herausziehen etwas zu erhöhen, können glattschaftige Nägel auch beharzt werden, diese Varianten kommen häufig als Maschinennägel in Druckluftnaglern zum Einsatz.
Die zu den Sondernägeln gehörenden Kamm- und Rillennägel dürfen im Gegensatz zu den erstgenannten ständig auf Auszug beansprucht werden. Allerdings brauchen sie einen Einstufungsnachweis, aus dem die Einordnung in eine Tragfähigkeitsklasse für die Zugbeanspruchung hervorgeht.

Das sind die wichtigsten Parameter für die Tragfähigkeit

Auch Nagelverbindungen können vorgebohrt werden. Wird nicht vorgebohrt, müssen Nageldurchmesser und Holzdicke in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen, damit der Nagel das Holz nicht aufspaltet. Für Nagelungen in Vollholz gilt, dass die Holzdicke mindestens das 14fache des Nageldurchmessers betragen muss. Dieser Wert kann sich erhöhen, wenn es sich um Laubholz handelt und der Nageldurchmesser über 5 mm liegt. Bei nachgewiesen spaltunempfindlicheren Holzarten wie der Kiefer oder auch Dachlatten kann die Mindestholzdicke reduziert sein, in diesem Falle auf das 7fache des Nageldurchmessers.
Wird die Nagelverbindung vorgebohrt, steigt deren Tragfähigkeit um etwa 30 % an. Der ideale Durchmesser des Bohrers liegt bei höchstens 80% des Nageldurchmessers, wichtig ist dabei, dass alle zu verbindenden Hölzer vorgebohrt werden. In Laubhölzern und bei Nageldurchmessern über 6 mm muss zusätzlich über die gesamte Nagellänge vorgebohrt werden.
Die Tragfähigkeit eines Nagels hängt entscheidend von dessen Einspannung im Holz ab, für die wiederum die Mindesteinschlagtiefe wichtig ist. Liegt die unter dem 4fachen Nageldurchmesser, darf die Scherfuge gar nicht in Rechnung gestellt werden. Für die volle Tragfähigkeit muss der Nagel mindestens auf eine Länge des 9fachen Durchmessers ins Holz getrieben werden.
Da die Einzeltragfähigkeit eines Nagels eher gering ist, werden Nägel grundsätzlich in Gruppen angeordnet. Wie bei allen stiftförmigen Verbindungsmitteln gibt es auch hier einen einzuhaltenden Mindest- und Höchstabstand. Die Mindestabstände lassen in einschlägigen Tafelwerken ablesen, für die Höchstabstände wird in zwei Richtungen unterschieden: in Faserrichtung dürfen zwei Nägel höchstens das 40fache des Durchmessers auseinander liegen (Aufspaltgefahr), quer zur Faser höchstens das 20fache.
Eine genagelte Verbindung muss immer mindestens zwei Nägel aufweisen, damit im Versagensfall eines Nagels nicht gleich die ganze Verbindung versagt. Um die genaue Anzahl der für die jeweilige Verbindung notwendigen Nägel zu ermitteln, reicht eine einfache Rechnung, bei der der Bemessungswert der auftretenden Kraft durch den Bemessungswert der Tragfähigkeit eines Nagels geteilt wird.

Für die Nagelverankerungen in Beton kommen ausschließlich Stahlnägel in Frage, die mit einem Nagler eingetrieben werden müssen. (Bild: Hilti)

Für die Nagelverankerungen in Beton kommen ausschließlich Stahlnägel in Frage, die mit einem Nagler eingetrieben werden müssen. (Bild: Hilti)

Auch bei dem Erstellen von beplankten Ständerwänden spielt der geringe Auszugswiderstand der Nägel keine Rolle. Zudem geht es schneller als mit Schrauben. (Bild: Hilti)

Auch bei dem Erstellen von beplankten Ständerwänden spielt der geringe Auszugswiderstand der Nägel keine Rolle. Zudem geht es schneller als mit Schrauben. (Bild: Hilti)

3. Klammerverbindungen

Klammerverbindungen kommen für tragende Verbindungen von Nadelhölzern untereinander, von Holzwerkstoffen an Nadelhölzern und von Gipskarton- und Gipsfaserplatten an Nadelhölzern und Holzwerkstoffplatten zum Einsatz. Die aus Stahldraht gefertigten Klammern dürfen dabei sowohl auf Abscheren als auch auf Herausziehen beansprucht werden. Wichtige Voraussetzungen dafür sind allerdings eine Mindestzugfestigkeit des Stahls von 800 N/mm2 und ein entsprechender Eignungsnachweis. Für die im Trockenbau häufig vorkommenden Verbindungen aus Gipswerkstoff und Holz sind außerdem nur Klammern nach DIN 18182-3 zulässig.
Um die Tragfähigkeit von Klammerverbindungen zu erreichen und dauerhaft sicher zu stellen, sind die Abmessungen der Klammern selbst und die Parameter wie Eindringtiefe, Anzahl oder Klammerabstände exakt definiert. Es gilt, dass die Schaftlänge bei höchstens dem 65fachen des Durchmessers (zwischen 1,0 und 2,1 mm) liegen darf, die Rückenbreite muss mindestens das 5,8fache des Durchmessers betragen. Um den Ausziehwiderstand zu erhöhen, ist mindestens die halbe Länge des Klammerschaftes beharzt. Aus dem gleichen Grund liegt die Mindest-Eindringtiefe beim 14fachen des Durchmessers. Der Klammerrücken ist idealerweise bündig mit der Bauteiloberfläche, er kann aber auch bis zu maximal 2 Millimeter tief versenkt werden. Zur Tragfähigkeit einer geklammerten Verbindung tragen aber nicht nur die genannten Parameter der einzelnen Klammer bei, denn die Einzeltragfähigkeit einer Klammer ist gering. Deshalb werden Klammern immer in Gruppen in einer „wirksamen Anzahl“ angeordnet. Dabei gelten auch hier sowohl Mindest- als auch Höchstabstände, die bei Vollholzbauteilen abhängig sind von der Faserrichtung. Eine wichtige Größe bei der Bemessung ist die sogenannte charakteristische Tragfähigkeit der Klammern, die einem geschätzten Mittelwert aus stichprobenartigen Versuchen entspricht. Diese charakteristische Tragfähigkeit ist nur dann in vollen Ansatz zu bringen, wenn der Winkel zwischen Klammerrücken und Faserrichtung des Holzes mindestens 30° beträgt. Bei Winkelgrößen darunter besteht die Gefahr des Spaltens, deshalb ist der Wert hier um 30% zu mindern.
Im Trockenbau werden Klammern nicht nur bei einer hölzernen Unterkonstruktion eingesetzt. Vor allem bei der doppelten Beplankung spielen sie eine Rolle, denn die zweite Lage kann auf der ersten geklammert werden, ohne dass die Befestigung in der Unterkonstruktion erfolgen muss. Das kann bei großen Wandflächen zu einer erheblichen Zeitersparnis führen. Allerdings darf der Abstand der Klammerreihen hier 40 cm nicht überschreiten.

In der Vorfertigung von Trockenbauelementen wird die zweite Lage Gipsplatten geklammert statt geschraubt. ( Bild: Fermacell)

In der Vorfertigung von Trockenbauelementen wird die zweite Lage Gipsplatten geklammert statt geschraubt. ( Bild: Fermacell)

Im Zusammenspiel mit dem zugehörigen Systemkleber lassen sich auch zweischichtige Estrichkonstruktionen schnell und wirtschaftlich klammern. (Bild: Fermacell)

Im Zusammenspiel mit dem zugehörigen Systemkleber lassen sich auch zweischichtige Estrichkonstruktionen schnell und wirtschaftlich klammern. (Bild: Fermacell)

Autor:

Ulrich Wolf
Redaktion AUSBAUPRAXIS
 
Keyvisual und Teaserbild: Hilti
 
 

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