Wichtige Informationen zum vorzeitigen Versagen

Holzbauschrauben versagen selten, aber wenn es geschieht, dann insbesondere in anspruchsvollen Umgebungen und Anwendungen.  
 

Da vorzeitige Brüche bei nur etwa einem von 1000 Projekten auftreten, kann man hier von Einzelfällen sprechen, die hauptsächlich bei Metall-Holz-Verbindungen unter besonders anspruchsvollen Bedingungen beobachtet werden.  
Gerade aufgrund ihrer Seltenheit war es jahrelang schwierig, einen gemeinsamen Nenner zu erkennen. Seit einiger Zeit hat sich die Industrie zur Aufgabe gesetzt, in Zusammenarbeit mit Planern, Bauunternehmen und Normungsgremien die Faktoren, welche zu diesem Problem beitragen, zu verstehen und anzugehen. 

Moderne, große Holzbauten benötigen leistungsstarke Schrauben, um das Beste aus komplexen Verbindungen herauszuholen, die auch bei erheblicher und kontinuierlicher Beanspruchung Festigkeit und Zuverlässigkeit gewährleisten.  
 
Um ein solches Leistungsniveau, speziell bei Schrauben mit hoher Festigkeit, zu erreichen, ist besonderes Augenmerk bei der Gestaltung, den Montagepraktiken und den Umgebungsbedingungen – allen voran Feuchtigkeit – erforderlich.  

Was versteht man unter Wasserstoffversprödung und wie kann sie die Schrauben beschädigen?  

Wasserstoffversprödung (HE) ist ein Phänomen, bei dem die Aufnahme von Wasserstoffatomen in metallischen Materialien und insbesondere bei hochresistenten Stählen die Leistung von Schrauben beeinträchtigt, indem sie deren Induktivität und Kapazität verringert. Hierdurch werden die Schrauben spröder und anfälliger für vorzeitige Brüche unter Spannung. 

Für die Entstehung einer Wasserstoffversprödung müssen drei Schlüsselfaktoren gleichzeitig gegeben sein: 

• Wasserstoff, 

• kontinuierliche Spannung, 

• ein anfälliges Material. 

Hauptursachen für wasserstoffinduzierte Brüche: Die beiden Wasserstoffversprödungstypen  

Es gibt zwei Arten von Wasserstoffversprödung, die sich grundsätzlich nach dem Zeitpunkt der Absorption unterscheiden: während der Herstellung oder nach der Montage der Befestigung. 

• Interne Wasserstoffversprödung (IHE): Diese tritt bei Produktionsprozessen wie Beizen oder elektrolytischer Verzinkung auf, bei denen Wasserstoffatome die Mikrostruktur der Schraube infiltrieren und eingeschlossen werden. 

• Umweltbedingte Wasserstoffversprödung (EHE): Sie tritt während der Betriebslebensdauer des Produkts auf, wenn die Schrauben, insbesondere in feuchten Umgebungen, Wasserstoff aus externen Quellen absorbieren, was hauptsächlich aufgrund von Korrosion geschieht. 

Internal Hydrogen Embrittlement – IHE (Interne Wasserstoffversprödung – IHE): 

Im Laufe der Produktion setzen einige Verfahren die Schrauben einer Umgebung aus, welche die Aufnahme von Wasserstoff begünstigt. Infolgedessen bildet sich atomarer Wasserstoff auf der Metalloberfläche und dringt in das Innere des Stahls ein. 

Die einflussreichsten Prozesse sind das Beizen, gefolgt von galvanischer Verzinkung, während die Wärmebehandlung bei Holzbauschrauben eine relativ geringe Rolle spielt. 

Die beim Beizen verwendeten sauren Lösungen erzeugen Wasserstoff als Nebenprodukt, das sich im Schraubenmaterial ausbreitet. Dieses Verfahren leistet den Hauptbeitrag zur Wasserstoffaufnahme während der Produktion – speziell bei hochfesten Schrauben, bei denen die Mikrostruktur den Wasserstoff besonders effektiv einbehält. 

Während der Elektroverzinkung wird auf der Oberfläche der Schraube Wasserstoff generiert, der in den Werkstoff einströmen kann. 

Die Produktionsprozesse von Rothoblaas-Schrauben umfassen modernste Maßnahmen zur Minimierung des Risikos der Wasserstoffaufnahme: 

• Optimierung der Wärmebehandlungszyklen zur Förderung der Wasserstoffdiffusion vor dem Abkühlen. 

• Einsatz von Inhibitoren in den Beizbädern zur Unterdrückung der Wasserstofferzeugung. 

• Behandlungen nach dem Verzinken zur Dehydrierung bei 150–200 °C für längere Schrauben. 

• Lagerung der Schrauben in trockenen und kontrollierten Umgebungen, um den einwandfreien Zustand zu erhalten. 

Diese Maßnahmen stellen den Industriestandard dar, dessen konsequente Umsetzung in allen Produktionsstätten von Rothoblaas gewährleistet wird. Darüber hinaus sind spezifische Tests zur Wasserstoffversprödung entsprechend der Norm ISO 15330 ein grundlegender Schritt für die Qualitätskontrolle und garantieren die Einhaltung der Sicherheitsstandards, indem sie die mechanischen Leistungen der Befestigungen aus verschiedenen Produktionschargen bewerten. 

Environmental or External Hydrogen Embrittlement - EHE (Umweltbedingte oder externe Wasserstoffversprödung - EHE)  

Bei der umweltbedingten Wasserstoffversprödung (EHE) verbreiten sich die Wasserstoffatome von außen in der Kristallstruktur des Metalls und sammeln sich an den Korngrenzen, Einschlüssen oder Versetzungen. 

Korrosion ist der Hauptfaktor für die Erzeugung von Wasserstoff auf Oberflächen aus Metall. Sie erfolgt durch elektrochemische Reaktionen in Gegenwart von Wasser, insbesondere unter sauren und chloridreichen Bedingungen.  

Der infolge dieser Reaktionen erzeugte Wasserstoff dringt in das Metall und kann sich an den Enden möglicher Mikrorisse ansammeln, wodurch die Ausbreitung begünstigt und der Versprödungsprozess ausgelöst wird. Diese lokale Schwächung wird zusätzlich verstärkt durch die Bildung von korrosionsbedingtem Lochfraß und Rostschichten, welche insbesondere bei zyklisch wechselnder Nässe und Trockenheit die Aufnahme von Wasserstoff fördern. 
 
Die Auswirkungen von Korrosion machen deutlich, welche entscheidende Rolle Feuchtigkeit bei der umweltbedingten Wasserstoffversprödung (EHE) spielt: Feuchte steht in direktem Zusammenhang mit der Korrosivität, speziell in Holzumgebungen. Entsprechende Erläuterungen finden sich in den Korrosionskategorien von Holz gemäß Norm EN 14592:2022 (siehe Smartbook Rothoblaas). 

Wie entsteht die EHE-Wasserstoffversprödung? Phasen der Wasserstoffaufnahme 

Die Wasserstoffaufnahme erfolgt hauptsächlich in zwei kritischen Phasen: 

1) Exposition während der Bauphase: Beim Bau von Gebäuden sind die Befestigungen vor dem Schließen der Konstruktion oftmals hoher Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt.  
Staunässe sowie längere Einwirkung von Regen oder Kondenswasser können die Korrosion beschleunigen und das Eindringen von Wasserstoff in die Schrauben verstärken.  
Die Verwendung von temporären Schutzvorrichtungen wie Bahnen, Abdichtungen, Planen oder Abdeckungen und die Aufrechterhaltung von möglichst trockenen Bedingungen in den Verbindungen sind von wesentlicher Bedeutung, um die Risiken in diesem Stadium zu reduzieren.  
Bei ungewissen Feuchtigkeitsbedingungen oder voraussichtlicher hoher Feuchtigkeit und begrenztem Schutz empfiehlt es sich, für die Schrauben Werkstoffe bzw. Beschichtungen mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit zu wählen. 

2) Nutzungsbedingungen: Wenn während der Entwurfsphase zu erwarten ist, dass die Verbindungen hohen oder unsicheren Feuchtigkeitsniveaus ausgesetzt sind (z. B. Szenarien der Borderline-Nutzungsklasse 2), ist eine vorsichtige Herangehensweise unerlässlich.  
Eine geeignete Maßnahme besteht darin, die Verbindung als Teil einer höheren Nutzungsklasse als jener, die für das gesamte Bauwerk ermittelt wurde, zu betrachten, um die langfristigen Risiken zu berücksichtigen.  
Diese Entscheidung sieht folglich die Anwendung höherer Sicherheitsbeiwerte und die Auswahl fortschrittlicher Beschichtungen bzw. korrosionsbeständiger Werkstoffe vor. 

Die Gewährleistung eines angemessenen Langzeitschutzes, wie die Verwendung von Bahnen, Abdichtungen und anderen dauerhaften Schutzsystemen, ist und bleibt von entscheidender Bedeutung, um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Verbindung sicherzustellen. 

Techniken zur Verhinderung von wasserstoffinduzierten Brüchen: Auswahl der Materialien auf der Grundlage der Umweltexposition 

Die Wahl des Werkstoffs und der Beschichtung der Schrauben erfordert eine sorgfältige Abwägung der korrosiven Bedingungen, welchen die Verbindung beim Bau und während der gesamten Lebensdauer des Gebäudes ausgesetzt ist.  

Die Checkliste der bei der Auswahl zu berücksichtigenden Faktoren umfasst die Aspekte: 

• Korrosivität des Holzes: Da die wichtigsten Reaktionen im Holz stattfinden, spielt die Korrosivitätskategorie des Holzes (T1 bis T5, laut Norm EN 14592:2022) eine entscheidende Rolle bei der Wasserstoffversprödung und ist der hierbei wichtigste zu bewertende Faktor. 

• Atmosphärische Korrosion: Auch die Korrosion des freiliegenden Teils der Schraube spielt bei der EHE eine entscheidende Rolle, die jedoch in der Regel weniger kritisch als die Korrosivität des Holzes selbst ist.  
  Umweltfaktoren, z. B. durch Salinität entstandene Chloride, die bei Baustellen in Küstennähe und bei auf dem Seeweg transportierten vorgefertigten Elementen üblich sind, oder Chlor in Schwimmbädern beschleunigen den Korrosionsprozess.  
  Darüber hinaus kann Wasser unter den Stahlplatten eingeschlossen sein und so den lokalen Feuchtigkeitsgehalt im Holz erhöhen. Korrosive Stoffe werden auf diese Weise zur Befestigung hin konzentriert, wodurch das Risiko von Korrosion und daraus folgender Wasserstoffversprödung zusätzlich gesteigert wird. 

Die Auswahl der für die spezifischen Bedingungen geeigneten Werkstoffe und Beschichtungen ist ebenso wichtig wie eine umfassende Bewertung der Expositionsbedingungen. Die Umsetzung eines Plans zum Feuchtigkeitsmanagement erweist sich hierbei als ein äußerst nützliches Element für die Risikominderung. 

 Selbst wenn Werkstoff und Beschichtung korrekt gewählt wurden, können eine unsachgemäße Montage der Befestigungselemente oder unbeabsichtigte Dauerbelastungen die Beschichtung beschädigen oder beeinträchtigen und so die Korrosion begünstigen und eine umweltbedingte Wasserstoffversprödung (EHE) ermöglichen. 

 Unbeabsichtigte Dauerspannung: Belastungsfaktoren, die die Wasserstoffausbreitung verstärken 

Während Belastungen durch Zugkräfte eine natürliche Bedingung für Schrauben in statisch tragenden Verbindungen sind, können unbeabsichtigte Belastungsfaktoren das Versagensrisiko erheblich steigern.  
Diese Belastungsfaktoren führen zur Überlastung der Schraube und schaffen Bedingungen, die auch ohne Wasserstoffversprödung (HE) zu Versagen führen können. 
 
In Kombination mit der HE verstärken sie die Wasserstoffverbreitung und die Schwächung des Materials, wodurch das vorzeitige Versagen beschleunigt wird. 

Dies geschieht, weil durch die Belastungen Wasserstoffatome zu Punkten mit hoher Spannungskonzentration wandern, z. B. Mikrorisse, Korngrenzen oder der Verbindungsradius unter dem Schraubenkopf. Die Anhäufung von Wasserstoff an diesen Stellen schwächt die Mikrostruktur des Materials und führt zur Bildung von Rissen, die sich ausbreiten und zu Versagen führen können. 

Um das Risiko eines vorzeitigen Bruchs zu verringern, müssen die Hauptquellen unbeabsichtigter Spannung identifiziert und kontrolliert werden, insbesondere während der Montage. 

Was sind die möglichen Ursachen für eine unbeabsichtigte Beanspruchung? 

1) Montage-Drehmoment: Jede Art von Schraube verfügt über einen festgelegten Drehmomentbereich für die korrekte Montage, ein Mindestdrehmoment, um den vollständigen Anzug zu gewährleisten, und ein maximales Drehmoment, bei dessen Überschreitung der einwandfreie Zustand der Schraube beeinträchtigt werden kann. Ein Überschreiten dieses Grenzwertes, also ein übermäßiges Drehmoment, führt zu zusätzlichen Belastungsfaktoren in der Schraube, die sich akkumulieren und zu vorzeitigem Bruch führen können. 

Bereits ein zu hohes Drehmoment kann zum Versagen der Schraube führen, selbst wenn keine Wasserstoffversprödung vorliegt, und kann insbesondere bei Stahl-Holz-Verbindungen die Schutzbeschichtungen beschädigen.  
 
Die Anwendung übermäßiger Kräfte unter dem Schraubenkopf oder entlang des Gewindes kann zum Ablösen der Beschichtung führen, sodass die Schraube korrosiven Elementen ausgesetzt wird, die das EHE-Risiko erhöhen. 

Impuls- und Schlagschrauber sind in der Lage, sehr hohe Drehmomente zu erzeugen, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines übermäßigen Drehmoments steigt. Diese Werkzeuge sind zwar äußerst effizient, verfügen aber nicht über die notwendige Kontrolle, um insbesondere bei Stahl-Holz-Anwendungen ein angemessenes Drehmoment bei der Montage aufrechtzuerhalten. Rothoblaas empfiehlt ausdrücklich, keine Schlagschrauber für Stahl-Holz-Verbindungen einzusetzen.  

 

Um das Risiko eines übermäßigen Drehmoments zu verringern:

• Verwendung von Vorrichtungen zur Drehmomentkontrolle (wie TORQUE LIMITER)  

• Verwendung von Lehren zur Vermeidung von Ausrichtungsfehlern und zur Reduzierung der bei der Montage ausgeübten Kräfte. 

2) Falsche Montagewinkel: Falsch ausgerichtete Schrauben erzeugen unregelmäßige Lastverteilungen. Hierdurch entstehen Spannungskonzentrationen in spezifischen Punkten, welche die Bruchanfälligkeit der Verbindungen erhöhen.  
Selbst bei Materialien mit geringer Anfälligkeit kann sich jeder Riss, der in einer korrosiven Umgebung belastet wird, ausbreiten und Brüche aufgrund von EHE verursachen – ein Risiko, das mit korrekten Montagepraktiken oftmals vermieden werden könnte. 

Wenn der falsche Winkel mit einem zu hohen Drehmoment kombiniert wird, kann sich die Schraube bei ihrer versuchten Ausrichtung auf das Loch verbiegen, sodass der Kopf zu einer vollständigen Berührung der Platte „gezwungen“ wird. Dies kann verschiedene Folgen haben: 

• Vorspannung 

• Biegung 

• Beschädigung der Beschichtung, wodurch der einwandfreie Zustand der Schraube weiter beeinträchtigt wird. 

3) Quellverformung des Holzes: Holz ist ein dynamischer Werkstoff, der auf Veränderungen der Umgebungsfeuchtigkeit reagiert, indem er sich ausdehnt und zusammenzieht. Eine Quellverformung kann erhebliche Kräfte ausüben, insbesondere bei Stahl-Holz-Verbindungen, in denen die Steifigkeit der Metallplatte das Holz umschließt und verhindert, dass es sich frei verformen kann. 

Untersuchungen der University of Alberta und Rothoblaas haben gezeigt, dass diese induzierte Zugspannung im Vergleich zu den unter korrekten Installationsbedingungen gemessenen Werten beträchtlich sein kann: Die Kombination aus einem Anzugsdrehmoment welches um das Zweifache des empfohlenen Wertes überschritten ist und dem Quellen des Holzes kann zu einem Zugbelastung von mehr als 65 % der Zugfestigkeit der Schraube führen. (Ftens ≃ 0,65 ftens,k)

4) Steifigkeit der Verbindung: Auch die Steifigkeit der Verbindung trägt ihren Teil zur Verteilung und Absorption von Spannungen bei. Da Holz-Holz-Verbindungen mit weichen Hölzern flexibler sind, ermöglichen sie eine bessere Energieableitung und reduzieren auf diese Weise die Spannungskonzentration auf die Schrauben.  

Einen Sonderfall bilden die Verbindungen mit Produkten aus veredeltem Bauholz wie LVL und BSP; diese sind aufgrund ihrer höheren Dichte und strukturellen Zusammensetzung von Natur aus starrer als Weichholz. 

Das andere Extrem in Bezug auf die Steifigkeit sind Stahl-Holz-Verbindungen, hauptsächlich solche mit Stahlplatten mit hoher Stärke, die deutlich starrer sind. 

Bei hohen Steifigkeitsbedingungen können sich unbeabsichtigten Belastungen stärker auf die Schrauben konzentrieren. 

Ein zu hohes Drehmoment erhöht die Steifigkeit der Verbindung und macht sie anfälliger für Quellverformung und somit für Versagen.  

Indem Bewertungen, die all diese Faktoren berücksichtigen, in die Planung einbezogen werden, kann das Risiko eines vorzeitigen Bruchs verringert werden – unabhängig davon, ob er durch Wasserstoffversprödung oder andere lastinduzierte Spannungen verursacht wird. Zusammenfassend: 

Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung: Der Kernhärte-Schlüssel 

Mit zunehmender Festigkeit des Werkstoffs wird der Stahl härter, weniger duktil und anfälliger für wasserstoffinduzierte Schäden, um die Anforderungen an die Zugkraft zu erfüllen.  

Das Risiko eines Bruchs ist bei Befestigungen mit hoher Kernhärte besonders relevant, wenn sie unbeabsichtigten Spannungen und Wasserstoffquellen ausgesetzt sind.  

Schwellenwerte der Härte 

Der Schwellenwert für die Kernhärte, oberhalb derer die Befestigungen als anfällig für Wasserstoffversprödung gelten, ist in der Regel auf 360 HV festgelegt (Vickers Hardness) und entspricht dieser Skala: 

• Unter 360 HV: Das Risiko von Brüchen aufgrund von Wasserstoffversprödung ist, unabhängig von den Anwendungsbedingungen, minimal (wenn auch nicht völlig ausgeschlossen). 

• Von 360 HV bis 390 HV: Das Risiko gilt als beherrschbar, solange die beitragenden Faktoren bewertet und abgeschwächt werden. 

• Über 390 HV: Die Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung nimmt deutlich zu und erfordert eine gründliche Bewertung aller anderen Risikofaktoren, um eine sichere und zuverlässige Verbindung zu gewährleisten. 

Brüche – ob nun durch Wasserstoffversprödung oder auch nicht durch dieses Phänomen beeinflusst – können jedoch auch bei Befestigungen mit einer Kernhärte unter 360 HV auftreten. Die Verwendung von Schrauben mit einer Härte von mehr als 390 HV bleibt möglich, wenn die anderen beitragenden Faktoren, wie die Feuchtigkeitseinwirkung und die Montagepraktiken, genau geprüft und wirksam geregelt werden.

Konformität: eine globale Verpflichtung  

Für Rothoblaas ist die Bereitstellung von Produkten, welche die höchsten internationalen Standards in Bezug auf Sicherheit, Leistung, Haltbarkeit und Konformität erfüllen, eine grundlegende Verpflichtung.  
Von Japan bis Kanada werden unsere Bauschrauben strengstens auf ihre Zuverlässigkeit bei Holzverbindungen geprüft und bewertet, sodass sie zu den weltweit am häufigsten zertifizierten Befestigungslösungen gehören. 

Diese Zertifizierungen, die von öffentlichen und privaten Stellen ausgestellt werden, garantieren die Einhaltung strenger Kriterien durch regelmäßige Bewertungen sowie kontinuierliche und regelmäßige Qualitätskontrollen. 

Unsere Pionierarbeit widmet sich außerdem der Norm CSA O86:2024, dem ersten weltweiten Standard für Holzkonstruktionen zur Regelung der Anforderungen an die Härte von Schrauben, und stellt einen bedeutenden Schritt bei der Bekämpfung von Brüchen im Zusammenhang mit Wasserstoffversprödung dar. Rothoblaas nimmt diese Verordnung ernst und integriert deren Grundsätze in die Entwicklung seiner Produkte. 

Die Befestigungen von Rothoblaas sind bereits so konzipiert und geprüft, dass sie einen Großteil der weltweit anerkannten Maßstäbe erfüllen: 

• Übereinstimmung mit ISO 2702: Norm mit Schwerpunkt Härteanforderungen zur Verringerung des Risikos der umweltbedingten Wasserstoffversprödung (EHE). 

• Wasserstoffversprödungstests: durchgeführt nach Norm ISO 15330.  

• Qualitätskontrolle der Kernhärte: Jede Produktionscharge wird strengen Qualitätskontrollen unterzogen, um die Einhaltung der Schwellenwerte für die Härte zu gewährleisten. Auf Anfrage können die Schrauben für bestimmte Projektanforderungen hergestellt werden, z. B. die Grenzwerte 360 HV oder 390 HV. 

Gemeinsame Verantwortung für langfristigen Erfolg 

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und die Sicherheit der Verbindungen aus Holz sind eine gemeinsame Verantwortung, an der Planer, Bauunternehmen und Hersteller beteiligt sind. Jede Phase erfordert einen proaktiven Ansatz, von der Wahl der geeigneten Werkstoffe und Beschichtungen bis hin zur Umsetzung korrekter Montagepraktiken und Strategien für das Feuchtigkeitsmanagement. 

Der Einsatz von Instrumenten wie einer Matrix für die Risikominderung kann einen systematischen Ansatz zur Bewertung und Bewältigung der beteiligten Hauptfaktoren bieten.  
 
Der Schlüssel zur Verringerung der Risiken für vorzeitige Brüche liegt in der Kombination aus technologischen Lösungen, sorgfältiger Planung und professioneller Montage: Die sichere Gegenwart und Zukunft für Holzgebäude wird gemeinsam gestaltet.  

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