Welche Festigkeitsklasse von hochfesten Schrauben eignet sich für Brückenprojekte?

Warum Brückenprojekte eine präzise Auswahl hochfester Schrauben erfordern

Strukturelle Folgen einer zu geringen oder zu hohen Spezifikation der Schraubenfestigkeit

Die Auswahl der falschen Zugfestigkeitsklasse für Brückenelemente kann die strukturelle Integrität sowohl unmittelbar als auch langfristig erheblich beeinträchtigen. Wenn Ingenieure Schrauben mit zu geringer Festigkeitsklasse spezifizieren, besteht ein echtes Risiko für Ermüdungsbrüche unter normalen Verkehrslasten der Brücke, was zu einem sukzessiven Versagen der Verbindungen führen kann. Umgekehrt verursacht auch der Einsatz von Schrauben der Klasse 12.9 anstelle ausreichender Schrauben der Klasse 10.9 Probleme: Die erhöhte Steifigkeit führt im Laufe der Zeit zu Rissen in benachbarten Stahlteilen. Untersuchungen zeigen, dass beim Anziehen dieser überdimensionierten Schrauben häufig mehr als 80 % der Streckgrenze überschritten werden; diese Praxis verschärft Spannungsrisskorrosionsprobleme in Küstenregionen um das Dreifache. Ein Blick auf aktuelle Daten aus jüngsten Fachwerkbrücken-Sanierungsprojekten aus dem Jahr 2023 zeigt zudem Folgendes: Selbst kleinste Fehler sind entscheidend. Bereits ein Abweichung von nur 0,1 mm bei der vorgesehenen Anzugskraft der Schrauben reduziert die Lebensdauer der Verbindungen um etwa 15 %. Solche Details sind von großer Bedeutung beim Bau von Konstruktionen, die Jahrzehnte lang Bestand haben sollen.

Wie dynamische Lasten, Ermüdungszyklen und Sicherheitsreserven die Wahl der Festigkeitsklasse bestimmen

Brücken sind zyklischen Spannungen durch Verkehr, Wind und thermische Ausdehnung ausgesetzt – was berechnete Sicherheitspuffer erfordert, die auf leistungsbezogenen Kriterien beruhen.

• Ermüdungskritische Bereiche , wie beispielsweise Dehnfugen, erfordern Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 mit einer Kerbschlagzähigkeit nach Charpy V-Nut von ≥27 J bei –40 °C, um mehr als zwei Millionen Spannungszyklen zu überstehen.
• Erdbebengebiete profitieren von der höheren Duktilität (12–15 % Dehnung) von Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8, die eine kontrollierte Aufnahme von Verformungsenergie ohne spröden Bruch ermöglicht.
• Sicherheitsreserven verringern sich mit steigender Unvorhersehbarkeit der Last: Stadtbrücken erfordern laut FHWA-Schwingungsstudien (2022) um den Faktor 1,8 höhere Bemessungsfaktoren als ländliche Brücken.

Die AASHTO schreibt beschleunigte Ermüdungsprüfverfahren vor, die unzureichend dimensionierte Schrauben von vornherein ausschließen – was belegt, warum Spezifikationen nach dem Prinzip „fast richtig“ katastrophale Versagen herbeiführen können.

US-Standards: ASTM F3125 Hochfeste Schrauben für Brückenanwendungen

F3125-Typ 1 (Kohlenstoffstahl/Legierter Stahl) im Vergleich zu Typ 3 (Wetterfester Stahl) — Korrosionsbeständigkeit und Vorspannungsverhalten in realen Brückenumgebungen

Brücken benötigen hochfeste Schrauben, die korrosiven Einflüssen standhalten können – insbesondere bei Salz aus winterlichen Straßenstreumaßnahmen und ständig hoher Luftfeuchtigkeit. Die ASTM-F3125-Schrauben vom Typ 1 aus Kohlenstoffstahl oder legiertem Stahl sind zwar preisgünstiger in der Anschaffung, erfordern aber spezielle Beschichtungen, um Rostbildung zu verhindern. Das Problem dabei ist, dass diese Beschichtungen im Laufe der Zeit abnutzen und dadurch die Langzeit-Vorspannung der Schrauben nachlassen. Schrauben vom Typ 3 aus wetterfestem Stahl bilden hingegen eine natürliche, schützende Rostschicht, die das darunterliegende Metall wirksam vor weiterer Korrosion bewahrt. Untersuchungen zeigen, dass dieser natürliche Schutz die Korrosionsgeschwindigkeit um etwa die Hälfte senkt im Vergleich zu unbeschichteten Standard-Schrauben vom Typ 1 – laut einer Studie von Ponemon aus dem vergangenen Jahr. Praktisch bedeutet dies, dass Brücken, die mit diesen Schrauben aus wetterfestem Stahl errichtet werden, ihre Tragfähigkeit über einen längeren Zeitraum bewahren und teure Reparaturen in der Zukunft vermeiden können.

*Korrosionsraten in chloridreichen Umgebungen (NACE, 2023)
**Feld-Daten von Brücken im Mittleren Westen der USA**

Wenn sie zyklischen Lastbedingungen ausgesetzt sind, behalten Typ-3-Schrauben während jener feuchten und trockenen thermischen Zyklen, die für die Stabilität der Verbindungen besonders wichtig sind, sobald Vibrationsermüdung ein Problem wird, etwa 20 bis 30 Prozent mehr Vorspannkraft bei. Die meisten Konstrukteure wählen Typ-3-Schrauben für Brückenteile, die einer direkten Umgebungseinwirkung ausgesetzt sind, wie beispielsweise Lager und Dehnfugen. Für Bauwerke, die im Innenbereich verbleiben, wo wir die Feuchtigkeitswerte kontrollieren können, bevorzugen sie in der Regel stattdessen Typ-1-Schrauben. Alle diese Schraubentypen erfüllen die Mindestanforderungen der ASTM F3125 an die Zugfestigkeit von etwa 150 ksi. Dennoch macht die Wahl des Materials einen erheblichen Unterschied hinsichtlich der langfristigen Kosten und der Sicherheit – insbesondere in korrosionsanfälligen Gebieten.

Internationale Benchmark-Werte für hochfeste Schrauben: Zuordnung der metrischen Festigkeitsklassen 8.8, 10.9 und 12.9 zu den Anforderungen der Brückenkonstruktion

Festigkeitsklasse 10.9 als internationaler Optimalwert: Festigkeit, Duktilität und nachgewiesene Feldleistung

Die hochfeste Schraube der Festigkeitsklasse 10.9 hat sich weltweit im Brückenbau zu einer regelrechten Arbeitspferd-Schraube entwickelt. Diese Schrauben überzeugen mit einer Zugfestigkeit von 1.040 MPa und einer Streckgrenze von bis zu 940 MPa. Was sie besonders auszeichnet, ist ihr Verhalten unter Belastung: Sie brechen nicht plötzlich, sondern verformen sich zunächst elastisch und plastisch. Vor dem Versagen dehnen sie sich um rund 9 % – ein Merkmal, das Ingenieuren Sicherheit bietet, wenn es um die ständigen Vibrationen und Lastwechsel auf Autobahnen und Brücken geht. Die meisten Tragwerksplaner setzen daher bei Haupttragbalken oder Dehnungsfugen konsequent auf die Festigkeitsklasse 10.9, denn in diesen kritischen Bereichen sind Überraschungen schlicht unzulässig. Die speziellen korrosionsbeständigen Varianten erfüllen die Anforderungen der ISO 898-1 und behaupten sich somit gleichermaßen bei Installationen in salzhaltiger Meeresluft wie auch in tiefen Gebirgstälern mit extremen Witterungsbedingungen. Die Leistung in der Praxis spricht am eindrucksvollsten: In Europa wurden zwischen 2019 und 2023 zahlreiche Installationen durchgeführt – von all diesen Tausenden von Einbauten versagten lediglich etwa 1 von 5.000. Eine solche Erfolgsbilanz erklärt, warum in zahlreichen technischen Spezifikationen nach wie vor Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 für Bereiche vorgeschrieben werden, in denen Sicherheit oberste Priorität hat.

Wenn die Festigkeitsklasse 12.9 gerechtfertigt ist – außergewöhnliche Scherbeanspruchung, begrenzter Platz oder Szenarien für seismische Nachrüstung

Verwenden Sie hochfeste Schrauben der Festigkeitsklasse 12.9 nur für spezielle Brückenherausforderungen. Ihre Zugfestigkeit von 1.220 MPa eignet sich für:

• Scherkritische Bereiche , beispielsweise Pfeilerköpfe unter starkem Verkehr;
• Nachrüstungen bei beengten Platzverhältnissen , wo eine Reduzierung der Schraubengröße zwingend erforderlich ist;
• Seismische Nachrüstungen , bei denen in erdbebengefährdeten Regionen eine maximale Lastaufnahme erforderlich ist.

Beachten Sie den Kompromiss: Die Dehnung von 8 % macht diese Schrauben spröder als Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9. Verwenden Sie sie daher ausschließlich mit präziser Drehmomentkalibrierung und wirksamem Korrosionsschutz. Bei seismischen Nachrüstungen in Kalifornien (2021–2023) schnitten Schrauben der Festigkeitsklasse 12.9 in Scherversuchen um 18 % besser ab als Alternativen; strenge Installationsprotokolle waren jedoch erforderlich, um Spannungsrisskorrosion zu vermeiden.

Auswahl der richtigen hochfesten Schrauben: Ein praktischer Entscheidungsrahmen für Brückenbauingenieure

Brückenbauingenieure stehen vor entscheidenden Fragen bei der Spezifikation hochfester Schrauben. Die falsche Wahl birgt Risiken für die strukturelle Integrität oder führt zu unnötigen Kosten. Ein systematischer Rahmen vereinfacht diese Entscheidung, indem er vier zentrale Faktoren bewertet:

Validieren Sie Ihre Auswahl stets mittels struktureller Simulationen und konsultieren Sie führende Anbieter bei nichtstandardmäßigen Szenarien. Diese Methode gewährleistet, dass Sicherheitsreserven mit dynamischen Lasten und Ermüdungszyklen übereinstimmen und eine Überdimensionierung vermieden wird.