Fehler in der Bauphase mit gravierenden Folgen

Achtung Sprödbruch

Herabstürzende Teile können Leib und Leben von Menschen gefährden. Die Ursache ist der sogenannte wasserstoffinduzierte Sprödbruch, der häufig zeitverzögert nach der Montage auftritt. Heute wissen wir, dass es drei zusammenhängende Einflussgrößen gibt: Eine kritische Wasserstoffbeladung, ein kritischer Werkstoffzustand und ein kritischer Spannungszustand.

Gefahr wasserstoffinduzierter Sprödbruch

Stahlprofilbleche, die nicht der Witterung ausgesetzt sind, dürfen im industriellen Leichtbau mit Schrauben aus einsatzgehärtetem Stahl befestigt werden. Unter bestimmten Voraussetzungen besteht allerdings die Gefahr des wasserstoffinduzierten Sprödbruchs, bei dem der Schraubenkopf ohne erkennbaren Grund abreißt. Durch die Verwendung von Dichtscheiben kann der Sprödbruch wirkungsvoll vermieden werden.

Industrie- und Gewerbebauten, die im Leichtbauverfahren gefertigt werden, bestehen in der Regel aus Stahlskelett-Konstruktionen, die mit Trapezprofilen unterschiedlicher Blechdicken beplankt werden. Dabei werden die Stahlprofilbleche vielfach mit selbstbohrenden oder gewindefurchenden Schrauben direkt an die Stahlträger geschraubt. Zur Befestigung der tragenden Elemente, der Tragschale, können Schrauben aus einsatzgehärtetem, verzinktem Kohlenstoffstahl verwendet werden. Ein höherwertiger Werkstoff, wie etwa korrosionsbeständiger Edelstahl, ist hier nicht notwendig, da die Tragschale üblicherweise noch eine Dämmschicht erhält und anschließend mit einer Deckschale verschlossen wird. Dadurch ist die Schraubverbindung dauerhaft vor Witterungseinflüssen geschützt.

Beispiel einer optimalen Befestigung mit Dichtscheibe der Tragschale und der Deckschale

Im Alltag läuft auf vielen Baustellen vieles nicht wie ursprünglich vorgesehen: Lieferverzug, Planungsänderungen oder schwierige Wetterbedingungen führen nicht selten dazu, dass zwischen den einzelnen Montagephasen ungewollte Verzögerungen auftreten. Heißt konkret, dass die Stahlschrauben über mehrere Tage oder Wochen „bewittert“ werden, obwohl der Werkstoff hierfür nicht optimiert ist. Gefährlich wird es, wenn die Schrauben während der Montage mit einem hohen Anzugsmoment im Stahlträger eingeschraubt wurden oder schräg verspannt sind. Der Ausfall der Schraubenverbindung erfolgt dann ohne vorab sichtbare Verformungen oder Korrosionspunkte. Vorhersagen bezüglich des Bruchzeitpunkts sind daher nicht möglich. Schadensfälle können auch Monate nach Abschluss der Montagearbeiten noch eintreten. Zu den oftmals gravierenden Folgen zählen neben stillgelegten Baustellen hohe Reklamationskosten und Imageschäden. Darüber hinaus sind auch Gefahren für Leib und Leben durch herabfallende Bauteile nicht auszuschließen.

Der Teileinsturz der Berliner Kongresshalle ist einer der spektakulärsten Schadensfälle, der auf die sogenannte Versprödung durch Wasserstoff zurückzuführen ist. Im Jahr 1980 war die 600 Tonnen schwere südliche Dachkrempe über dem Haupteingang der Halle eingestürzt. Es gab viele Verletzte, ein 27-jähriger Mann kam bei dem Unglück ums Leben. In der Analyse machten Experten eine ganze Reihe von Konstruktionsfehlern am Bau verantwortlich.

Verbindung ohne Dichtscheibe

Eingetretener Sprödbruch

Verbindung mit Dichtscheibe

REM-Aufnahme der Bruchfläche eines verformungsarmen Bruchs einer Kleinschraube im Bereich des Unterkopfradius.

In der Detailansicht der oberen Abbildung werden klaffende Korngrenzen, interkristalliner Spaltbruch und Zonen mit linienartigen Restduktilitäten (Krähenfüße) auf den Spaltbruchflächen sichtbar

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Wie entsteht der wasserstoffinduzierte Sprödbruch?

Einflussgrößen und Vermeidungsmaßnahmen

Voraussetzungen für wasserstoffinduzierte Sprödbrüche sind

das Vorhandensein eines Wasserstoffangebots
- während des Fertigungsprozesses
- im Betrieb der Schraube auf der Baustelle
der Werkstoffzustand
die mechanische Beanspruchung der Schraube

Nur bei einem kritischen Zusammenwirken aller drei genannten Größen ist die Gefahr eines wasserstoffinduzierten Sprödbruchs gegeben.

Optimierung im Fertigungsprozess

(werksseitig durch EJOT)

Das Risiko des fertigungsbedingten, wasserstoffinduzierten Sprödbruchs wird unter anderem durch die Materialauswahl, exakte Prozessparameter sowie fertigungsbegleitende Prüfungen reduziert bzw. frühzeitig detektiert. Bei galvanisch aufgebrachten Zinkschichten ist das Gefährdungspotenzial durch einen wasserstoffinduzierten Sprödbruch nach Stand der Technik (z. B. DIN EN ISO 4042) jedoch nie zu 100 % auszuschließen. Hinzu kommt, dass in der Regel keine Aussage über das exakte Wasserstoffangebot im Betrieb getroffen werden kann.

Vereinfacht gesagt wird im Fertigungsprozess bei der Oberflächenbehandlung die Freisetzung von Wasserstoff minimiert. Bei der Wärmebehandlung wird auf optimale Kern- und Randhärten sowie ausreichende Zähigkeit des Werkstoffs geachtet. Zudem wird die Wasserstoffbeladung durch eine Wasserstoffarmglühung nochmals reduziert. Vor Auslieferung werden die Schrauben zu dem noch einem Belastungstest unterworfen, um das Risiko noch weiter zu minimieren.

Optimierung im Verarbeitungsprozess auf der Baustelle

Eine effiziente Maßnahme zur Reduzierung der Gefahr von wasserstoffinduzierten Schäden ist die Verwendung von Dichtscheiben. EJOT empfiehlt für alle selbstbohrenden und gewindefurchenden Schrauben der JA-, JZ- und JT-Familie entsprechende Ausführungen mit vorassemblierten Dichtscheiben an.

Erhöhter Schutz während und nach der Montage

Dichtscheiben reduzieren die mechanische Beanspruchung und begrenzen Vorspannkräfte bzw. Zugspannungen der Schrauben. Die sichtbare Komprimierung der Dichtscheibe während des Verschraubens ermöglicht ein kontrolliertes Anziehen der Bohrschraube. Ein Abreißen des Schraubenkopfs oder das Überdrehen des Schraubengewindes während der Montage wird wirkungsvoll vermieden.

Oberflächenschutzschichten der Profilbleche, die durch den Verschraubungsvorgang Gefahr laufen, beschädigt zu werden, lassen sich mithilfe der Dichtscheiben sicher abdecken. Der aufvulkanisierte Kunststoff zeichnet sich durch eine hohe Witterungs- und UV-Beständigkeit aus. Somit ist die Einschraubstelle bis zum Abschluss der Bauarbeiten vor Witterungseinflüssen geschützt. Durch die vergrößerte Auflagefläche der Dichtscheiben werden zudem die Werte der Durchknöpftragfähigkeit erhöht.

Produktportfolio Bohrschrauben

Als Befestigungsspezialist bietet EJOT eine Vielzahl an Bohrschrauben für den Industriellen Leichtbau.

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