Wartungsfreie Schraubenverbindungen von IHF: Langzeitstudie bestätigt Wartungsfreiheit

Die ETA-zertifizierten (siehe Fußbote (1)) Verbindungselemente IHF Stretchbolt und IHF Roundnut wurden speziell für auf Zug belastete Schraubenverbindungen im Stahlbau ausgelegt, wie sie unter anderem an Ringflanschen der Turmsegmente von Windkraftanlagen vorkommen. Eine auf Ultraschallmessungen basierende Langzeitstudie belegt: Die gemessenen Restvorspannkräfte befinden sich in einem engen Toleranzband und sind so präzise, dass die Schraubenverbindungen nach Erstinstallation und einmaligem Nachziehen keinen weiteren Kontrollen unterzogen werden müssen. Aus diesem Umstand wird die Schraubenverbindung als „wartungsfrei“ definiert. Damit unterliegen IHF Verbindungselemente weitaus weniger Inspektionsintervallen als konventionelle HV-Schraubenverbindungen, wodurch erhebliche Wartungskosten an Schraubenverbindungen eingespart werden können (im Besonderen bei offshore Anwendungen).

1. Präzise Messergebnisse als Resulat aus Spannungsoptimierung und Anziehverfahren

Die präzisen Messergebnisse resultieren aus

a. der präzisen Herstellung der IHF Verbindungselemente und ihrer spannungsoptimierten Auslegung

b. Der sehr hohen Systemgenauigkeit des Anziehverfahrens „hydraulisches, reibungs- und torsionsfreies Anziehen“ mit Schraubenspannzylindern

Eine vergleichbar hohe Präzision der Vorspannkräfte ist bei der Verwendung von konventionellen HV-Verbindungen, welche nach dem reibungsbehafteten Drehmomentverfahren vorgespannt werden, nicht zu erreichen. Im besonderen gilt dies für Schraubenverbindungen größer als M30. Dieses Optimierungspotential wurde bei der Auslegung der IHF Verbindungselemente effizient genutzt. Hierbei wurde ebenfalls berücksichtigt, dass die Schrauben der Turmsegmente an Windkraftanlagen keinen Scherbelastungen, sondern hauptsächlich Zugbelastungen ausgesetzt werden.

Bild 1: Werden IHF Verbindungselemente mit Schraubenspannzylindern hydraulisch, reibungs- und torsionsfrei vorgespannt, spricht man vom IHF Stretch System (Engl. "Stretch" [tech.] = elastische Dehnung).

2. Konventionelle HV-Verbindungen können aktuellen Anforderungen nicht vollends gerecht werden

Zurzeit werden meist konventionelle, drehmomentvorgespannte HV-Verbindungen zur Verschraubung von Stahlrohrtürmen an Windkraftanlagen eingesetzt. Der HV-Standard kann dieser Anwendung auf Grund seiner langen Historie nicht vollends gerecht werden: Die normativen Urspünge gehen bis in das Jahr 1962 und noch weiter zurück (DIN 6914, 6915, 6916). In jenen Normen wurden ursprünglich vor allem Schraubenverbindungen an Brücken oder Stahlkonstruktionen berücksichtigt, welche jedoch in erster Linie Scherbelastungen ausgesetzt, bzw. auf Lochleibung ausgelegt sind. Der HV-Standard wurde sukzessive von M36 auf M48, dann bis auf M64 und zuletzt bis M72 erweitert.

3. Einfache Substitution: Gleiche Flächenpressung bei weniger Bauteilen und weniger Trennfugen

Die ETA-zertifizierten Verbindungselemente IHF Stretchbolt und IHF Roundnut wurden speziell für Zugbelastungen ausgelegt. Im Gegensatz zu einer konventionellen HV-Garnitur besteht die IHF-Garnitur nur aus 2 Elementen: IHF Stretchbolt und IHF Roundnut. Die Unterlegscheiben werden in den Schraubenkopf und in die Mutter integriert. Somit reduziert sich die Anzahl der Trennfugen. Ebenso wird eine mögliche Fehlerquelle durch falsche Montage der Unterlegscheiben eliminiert.

Bild 2: Vergleich der realisierten Montagevorspannkräfte: Gleichmäßigere Vorspannkräfte lassen sich realisieren mit dem IHF Stretch System, bestehend aus IHF Stretchbolt, IHF Roundnut und Schraubenspannzylinder (hydraulisches, reibungs- und torsionsfreies Vorspannen).

4. Systembedingte Vorteile des hydraulischen, reibungs- und torsionsfreien Vorspannens

In der Schraubtechnik werden die Anziehverfahren nach drehenden und ziehenden Verfahren eingeteilt.

Bild 3: Konventionelles Drehmomentverfahren: Durch schlecht kalkulierbare Gewinde- und Kopfreibung können beim Auftragen der Vorspannkräfte starke Schwankungen von bis zu 100% entstehen.

Bei ziehenden Verfahren wird die erforderliche Montagevorspannkraft (FM) durch rein axiales Längen des Schraubenbolzens mittels eines Schraubenspannzylinders aufgebracht. Durch dieses hydraulische, reibungs- und torsionsfreie Verspannen der Schrauben liegt eine sehr kleine Streuung der Montageverspannkraft (FVM) von ± 1 % vor. Hieraus resultieren präzise und gleichmäßige Montagevorspannkräfte (FM).

Bei drehenden Verfahren (z. B. Drehmomentverfahren) ist die erzielbare Montagevorspannkraft (FM) das Ergebnis der vorliegenden Haft- und Gleitreibungskoeffizienten im Gewinde und an der Auflagefläche (Gewindereibung und Kopfreibung). Diese Faktoren können von Schraube zu Schraube so stark variieren, dass sich keine valide Grundlage zur Berechnung finden lässt. Zusätzlich zu den Ungenauigkeiten bei der erzielbaren Montagevorspannkraft (FM) erhalten die Schrauben auch Biege- und Torsionsbelastungen, die zu einer erhöhten Belastung und bei Überbelastung bis zum Versagen der Schraubenverbindung führen können. Eine Verwendung anderer Verfahren – wie zum Beispiel dem Drehwinkelverfahren – ist nicht möglich, da zwischen den Ringflanschen immer ein Spalt vorliegt und somit der Fügepunkt nicht präzise definiert werden kann. Durch die Verwendung von Schraubenspannzylindern wird die Klaffung schnell geschlossen.

5. Messergebnisse bestätigen wartungsfreie Schraubenverbindung

Die Messung der Montagevorspannkraft wurde zum einen mit Hilfe eines mechanischen Längenmesserfahrens und zum anderen mit dem USB-System (Ultrasonic Bolt System) durchgeführt. Bei dem USB-System wird ein Ultraschallsensor fest auf die Stirnfläche des Schraubenkopfes integriert („Sputtern“), wodurch hohe Genauigkeiten der Messergebnisse gewährleistet sind.

Bild 4: Messung der Ergebnisse durch Ultraschallmesssystem (USB-System oben) und Messung mit mechanischem Messbügel (unten).

Die Praxisuntersuchungen wurden im Auftrag und in Zusammenarbeit namhafter Windkraftanlagenhersteller an Anlagen der Klassen 1,5 MW; 2,5 MW und 6,0 MW durchgeführt. Dabei wurden Schraubendimensionen von M30 bis M64 untersucht. Alle durchgeführten Untersuchungen belegen, dass das IHF Stretch System ein wartungsfreies Schraubsystem ist.

Bild 5: Messergebnisse der IHF Verbindungselemente M48: Durch die konstant präzisen Vorspannkräfte ist die Schraubenverbindung wartungsfrei.

6. Voraussetzungen einer wartungsfreien Schraubenverbindung

Die Hauptvoraussetzungen auf einen Blick:

• Eine kleine Streuung der Montagevorspannkraft (FM)
• Präzise Fertigung der Verbindungselemente
• Geringe Anzahl von Trennfugen

Die geometrischen Toleranzen der verwendeten Verbindungselemente müssen in einem kleinen Streuband liegen und die Anzahl der Trennfugen muss auf ein Minimum reduziert werden. Ferner sollte ein ausreichendes Klemmlängenverhältnis vorliegen.

Das innovative IHF Stretch System erfüllt die Vorrausetzungen einer wartungsfreien Schraubenverbindung, da die Streuung der Montagevorspannkraft durch die Verwendung von ziehenden Werkzeugen sehr klein ist und das Verbindungselement durch die integrierten Scheiben die Trennfugen um zwei reduziert werden kann.

7. Weitere Vorteile: Reduktion der Flanschdimensionen, schnellere Montage

Neben der Reduktion der Herstellungskosten durch kompaktere Flanschdimensionen lassen sich auch die Montagekosten bei Erstinstallation durch einen schnelleren Verschraubungsprozess senken. Ringflansche, die mit Schraubenspannzylindern verspannt werden, werden schneller verschraubt, da kein Gegenhalter für den Drehmomentschrauber erforderlich ist. Abhängig von der Schraubendimension und der Anzahl lässt sich die Montagezeit pro Ringflansch um bis zu 50 % reduzieren, wie Praxisergebnisse belegen.

Gegenüber Drehschraubern oder Drehmomentschraubern bieten Schraubenspannzylinder zusätzlich ein geringeres Gewicht und eine arbeitssichere Positionierung, da die Abstützposition des Schraubenspannzylinders auf der Flanschauflagefläche vordefiniert ist. Das hydraulische, reibungs- und torsionsfreie Vorspannen von Schrauben mit Schraubenspannzylindern wird bei Windkraftanlagen bereits bei Lager- und Getriebeverschraubungen, sowie bei Fundamentschrauben eingesetzt. Die Technologie wurde vor über 30 Jahren für Anwendungen an Großwälzlagern und für Gas- und Dampfturbinen entwickelt und fortwährend weiterentwickelt.

ITH vollzieht nun den Technologietransfer für Anwendungen im allgemeinen Stahlbau. Hierzu gehört auch, dass die IHF Verbindungselemente die Europäische Zulassung ETA (European Technical Aproval) vom Deutschen Institut für Bautechnik sowie eine Zertifizierung des DNV GL erhalten haben.

8. Fazit und Ausblick: Weniger Wartungs- und Materialkosten durch IHF

Bild 8: Anzahl der zu erwartenden Wartungsintervalle im Vergleich.

Das innovative IHF Stretch System setzt neue Maßstäbe im Stahlbau, da neben geringerem Material-und somit Kostenaufwand eine schnellere und wartungsfreie Schraubenverbindung realisiert werden kann. Die Vorteile dabei sind:

1. Wartungsfreie Schraubenverbindungen senken Wartungskosten signifikant (gerade bei Offshore Anwendungen)
2. Schnellere Erstinstallation und höhere Anlagenverfügbarkeit
3. IHF Verbindungselemente haben die ETA-Zertifizierung (European Technical Approval) durch das Deutsche Institut für Bautechnik erhalten, ferner eine Zertifizierung durch den DNV GL (Zusammenschluss aus Det Norske Veritas und Germanischem Lloyd)

Weiterführende Informationen über wartungsfreie Schraubenverbindungen erhalten Sie unter:

1. www.ith.de/verbindungselemente/wartungsfreie-schraubverbindung-ihf-stretchbolt-und-roundnut.php
2. www.wartungsfreie-schraubenverbindung.de

Fußnote:

(1) IHF Verbindungselemente haben die ETA-Zertifizierung (European Technical Approval) durch das Dt. Institut für Bautechnik erhalten.

Autor:

Dipl.-Ing. Frank Hohmann
Geschäftsführender Gesellschafter
von ITH Schraubtechnik, Meschede –
insbesondere technischer Vertrieb

ITH GmbH & Co. KG
Auf´m Brinke 18
59872 Meschede

Tel.:   +49 (0) 291 / 99 62 - 0
Fax:   +49 (0) 291 / 99 62 - 11