Visualisierung und Verspannungsschaubild im Betriebszustand

Nachdem die Schraubenverbindung vorgespannt wurde und der entsprechende Montagezustand vorliegt, treten im Betriebzustand zusätzliche Kräfte auf, die die Verbindung belasten. 

Dabei geht man in der Regel davon aus, dass die zusätzlichen Kräfte die Schraube weiter dehnen, die verspannten Bauteile jedoch wieder "entspannt" werden.

Dabei werden um den gleichen Betrag sowohl die Schraube länger als auch die verspannten Teile gegenüber dem Montagezustand dicker (können sich wieder elastisch ausdehnen). Dieser Unterschied zum Montagezustand ist entsprechend in der nächsten Abbildung dargestellt:

Die Betriebskraft $ F_A $ führt, wie in der Abbildung dargestellt, zu einer Längenänderung. Letztere setzt sich aus einem Schraubenanteil $ f_{SA} $ und einem Verspannungsteilanteil $ f_{PA} $ zusammen, die betragsmäßig identisch sind $ \rightarrow f_{SA} = f_{PA} $. 

Tabellarischer Vergleich von Montage- und Betriebszustand:

Infolge der Betriebskraft $ F_A $ kommt es zu einer Verschiebung des Kräftegleichgewichts innerhalb der Schraubenverbindung. In der nächsten Tabelle ist die Änderung der Kraftanteile aufgeführt:

• $ F_{SA} $ = Betriebskraft der Schraube
• $ F_{PA} $ = Betriebskraft der verspannten Teile (negativ einzusetzen)

Verspannungsschaubild

Mit Hilfe des Verspannungsschaubildes können wir nun den Betriebszustand grafisch analysieren.

Im ersten Schritt erstellen wir das Schaubild für den Montagezustand wie gehabt.

Eingezeichnet sind die Montagekraft $ F_M $ und die Längenänderungsanteile für die Schraubenverformung $ f_{SM} $ und die Verspannteilverformung $ f_{PM} $. 

Im nächsten Schritt zeichnen wir die Betriebskraft $ F_A $ ein (graue Linie).

Dazu ist es erforderlich die Betriebskraft $ F_A $ durch Parallelverschiebung zwischen der verlängerten Schraubengerade und der Plattengerade (wie im Bild dargestellt) zu verschieben. Durch eine Berücksichtigung der Montagekraft $ F_M $ (horizontal verlängern) kann dadurch die Zusatzbelastung der Schraube sowie die Zusatzbelastung der Platten (dies ist eigentlich eine Entlastung) zeichnerisch definiert werden.

Dort wo die Gerade der Betriebslast die Gerade der Schraubenkraft schneidet, befindet sich unsere Gesamtschraubenkraft $ F_S $ im Betriebszustand. Also die Belastung, die die Schraube insgesamt aushalten muss. Im Gegensatz dazu sinkt die Kraft, die die Verspannteile aushalten müssen auf den Wert $ F_K $.

$ F_K $ beschreibt die Klemmkraft. Die Klemmkraft ist somit die Kraft, die zum Verspannen der Bauteile bei Belastung der Schraubenverbindung übrig bleibt.

Sinkt die Klemmkraft $ F_K $ auf den Wert 0, so ist die Schraubenverbindung nicht mehr funktionstüchtig.