Einleitung

Die Befestigung von Stahlbau-Hohlprofilen von nur einer Seite ist seit Jahrzehnten eine besondere Herausforderung. Neben Schweißverfahren gibt es inzwischen jedoch zahlreiche andere Arten von Befestigungselementen und Verbindungsmethoden für dieses immer beliebter werdende Bauelement. Der vorliegende Beitrag befasst sich mit den Vor- und Nachteilen einiger dieser Verbindungsmethoden für Stahlbauhohlprofile und vergleicht sie mit der Alternative von Lindapter: Hollo-Bolt®, einem Spreizdübel, für dessen Montage einseitiger Zugang ausreicht.

Wenn sich ein Konstrukteur aufgrund der Eignung für zweiachsige Biegebeanspruchung oder der Ästhetik symmetrischer Formen für ein Hohlprofil entscheidet, stellt sich häufig die Frage, wie andere Bauteile hieran zu befestigen sind. Bei den meisten Tragwerkkonstruktion wird bislang das Schweißen oder Verschrauben bevorzugt, weil diese Methoden hohen Belastungen standhalten können. Wenn es jedoch Einschränkungen beim Schweißen gibt oder die hohen Kosten für die Arbeit qualifizierter Schweißer, Einrichtung und Betriebsunterbrechung sowie Einfluß auf den Brandschutz in der Umgebung vermieden werden sollen, empfiehlt sich der Rückgriff auf mechanische Verbindungselemente.

Glücklicherweise veröffentlichen diverse renommierte Institutionen wie die British Constructional Steelwork Association (BCSA), das Steel Construction Institute (SCI), CIDECT, das Southern African Institute of Steel Construction (SAISC), das Australian Steel Institute (ASI) und das American Institute of Steel Construction (AISC) globale Konstruktionsleitfäden, die bei der Auslegung von Hohlprofilverbindungen helfen. Diese Leitfäden beschreiben verschiedene mechanische Verbindungselemente, die für Hohlprofilverbindungen infrage kommen, unter anderem:

Gewöhnliche mechanische Verbindungselemente

Üblicherweise werden Durchgangsschrauben verwendet, aber die inhärente Flexibilität der Wände von Hohlprofilen erlaubt es in der Regel nicht, ohne zusätzlichen Fertigungsaufwand vorgespannte Befestigungselemente zu verwenden. Die Verbindungen sind daher meist nur für statische Scherspannungen ausgelegt. Außerdem sind Verbindungen der gegenüberliegenden Seiten eines quadratischen oder rechteckigen Hohlprofils vor Ort schwierig und zeitaufwändig herzustellen. In vielen Fällen müssen Versteifungen in das Hohlprofil geschweißt werden, um ihm zusätzlichen Halt zu geben. Hierdurch entstehen zusätzliche Kosten.

An den Hohlprofilwänden können Gewindebolzen angebracht werden. Allerdings wird dafür schweres und unhandliches Werkzeug in Form eines Bolzernschweißgerätes und zugehöriger Ausrüstung benötigt. Zu bedenken sind dann dieselben Aspekte wie beim direkten Zusammenschweißen der Hohlprofile. Allerdings kann dieser Vorgang bereits in der Fertigungswerkstatt stattfinden, bevor das Produkt auf die Baustelle geliefert wird. In manchen Fällen kann eine Vertiefung oder ein Senkloch zur Aufnahme des Kragens notwendig sein, der sich an der Kontaktstelle von Gewindebolzen und Hohlprofil eventuell gebildet hat. Das fertige Produkt sieht aus wie eine Schraubverbindung, wird allerdings nur auf einer Seite des Hohlprofils hergestellt.

Blindnietmuttern sind allgemein verfügbar, aber ihre Verwendung ist aufgrund der Materialmenge, die sie fassen können, begrenzt. Schließlich wurden sie ursprünglich für Bleche und nicht für Stahlbauprofile entwickelt. Auch hier ist ein Montagewerkzeug erforderlich, das zumindest in der manuellen Ausführung einige Anstrengung erfordert.

Blindniete eignen sich zwar für schwer zugängliche Bereiche, sind aber in der Regel nur in kleinen Durchmessern und für leichte Lasten erhältlich. Sie sind nicht für hoch belastbare Stahlbaukonstruktionen konzipiert. Außerdem ist für die speziellen Montagewerkzeuge in der Regel eine Druckluft- oder Hydraulikversorgung notwendig.

Spreizdübel – eine Einführung

Heute kennen wir Spreizdübel als mechanische Befestigungselemente, die meist aus einer Schraube, einer Spreizhülse und einer konischen Mutter bestehen, die beim Anziehen der Schraube in die Hülse gezogen wird und durch den Keileffekt das Befestigungselement aufspreizt. Diese „Blindmontage“ eignet sich ebenso gut für Verbindungen an anderen Stahlbauprofilen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schraub- oder Schweißverbindungen sind Spreizdübel schneller zu montieren, indem das Befestigungselement einfach in ein vorgebohrtes Loch gesteckt und mit einem Drehmomentschlüssel angezogen wird. Durch die schnellere Montage reduziert sich der Arbeitsaufwand auf der Baustelle, d. h. der Kosten- und Zeitaufwand für das Bauprojekt sinken.

Frühe Produktentwicklungen von Lindapter

Lindapter ist der Pionier des Spreizdübels. Eines der ersten Befestigungselemente dieser Art war Lindibolt®, ein Spreizdübel mit Gewinde, den Lindapter 1948 auf den Markt brachte. Lindibolt® wurde mit einem Gewindebolzen entwickelt, der aus dem Hohlprofil herausragt, um einen Befestigungspunkt für Hebezeuge für Bergungsarbeiten auf See zu schaffen. Lindibolt® war ein großer Erfolg und ist auch heute noch ein häufig verwendetes Bauelement in der Offshore-Industrie.

Obwohl Stahlbauhohlprofile ursprünglich bereits in den 1950er Jahren entwickelt wurden, begann ihre breite Verwendung erst Mitte der 1960er Jahre. Seitdem hat ihre Beliebtheit weiter zugenommen, und bei vielen der heute aktuellen Gebäudeentwürfe gehören freiliegende Stahlprofile zum ästhetischen Erscheinungsbild. In den 1980er Jahren wurden Hohlprofile in verschiedenen Formen und Formaten verfügbar und die Konstrukteure benötigten eine vielseitigere Verbindungslösung. Deshalb entwickelte Lindapter 1986 ein Verbindungsprodukt, das dem heutigen Hollo-Bolt schon recht ähnlich war. Das Produkt war eine zweiteilige Baugruppe, bestehend aus einem geschlitzten Zylinder und einem Konus mit einem Gewinde zur Aufnahme eines hochfesten Standardbefestigungselements. Das System war sehr erfolgreich, obwohl die Montage nicht ganz einfach war. Beim Einsetzen des Produkts in die Bohrung mit einer engen Toleranz von ±0,2 mm konnten Fehler auftreten. Bei Arbeiten über Kopf und/oder bei größeren Kastenprofilenkonnten die erforderlichen Hammerschläge ein Durchbiegen der Wand und ein Zurückfedern verursachen, was in manchen Fällen eine fehlerhafte Montage des Produkts und unter Umständen auch eine Beschädigung des Lochs zur Folge hatte. Während der Montage der Stahlkonstruktion waren Gerüstbauratschen zum Ausrichten von Endplatten an Trägern und Lochabständen an Stützen nur eingeschränkt tauglich, weil das Produkt leicht verschoben werden konnte.

Moderne Hollo-Bolt

Das von Lindapter über mehrere Jahrzehnte aufgebaute Know-how und der ständige unmittelbare Kontakt mit dem Anwender auf der Baustelle bildet die Grundlage für die aktuelle Ausführung der Spreizdübel Hollo-Bolt®. Diese sind so konzipiert, dass sie die Bedürfnisse der Stahlbauunternehmen im Hinblick auf einfache und schnelle Montage erfüllen. Sie bieten zudem eine gewisse Toleranz gegenüber Ungenauigkeiten auf der Baustelle, z. B. bei der Größe der Löcher oder Fehlausrichtungen, und unterstützen die Unternehmen mit einem robusten und dennoch ästhetisch ansprechenden System. Hollo-Bolt ist in Ausführungen aus Kohlenstoff- mit diversen Oberflächenbeschichtungen oder Edelstahl (A4) erhältlich und damit für praktisch alle Anwendungsbereiche geeignet: verzinkt (JS500) für Standardanwendungen, feuerverzinkt, wenn ein robusteres Produkt erforderlich ist, und Edelstahl für die anspruchsvollsten Umgebungen.

Hollo-Bolt eignet sich für Tragwerkkonstruktionen, weil er sowohl Zug- als Scherbelastungen standhält. Die Tragfähigkeit des Lindapter Hollo-Bolt M20 liegt beispielsweise bei 35 kN auf Zug und 40 kN auf Scherlast. Das Produktsortiment umfasst die Größen von M8 bis M20 und der Klemmbereich reicht insgesamt für Materialstärken von 3 mm für den kleinsten Durchmesser bis 86 mm für den größten Durchmesser.

Forschung und Entwicklung

Lindapter entwickelt das Hollo-Bolt®-Sortiment kontinuierlich weiter, um den vielfältigen Anforderungen von Tragwerksplanern und Architekten gerecht zu werden. So gibt es inzwischen eine flächenbündige Kopfvariante (Flush Fit) ohne Überstand gegenüber der Oberfläche des Stahlprofils. Zu den jüngsten Leistungsoptimierungen für Bauverbindungen zählt ein Mechanismus, der während der Montage zusammengedrückt wird und eine hohe Klemmkraft erzeugt. Dies ergibt eine besonders sichere Verbindung.

Die Montage von Hollo-Bolt

Die Montage von Hollo-Bolt ist einfach und erfordert nur einfaches Werkzeug. Die Stahlbauteile werden mit übergroßen Löchern gemäß Herstellerangaben vorgebohrt, sodass sie die Hülse und die konische Mutter aufnehmen können. Dabei ist darauf zu achten, dass die Löcher so angeordnet sind, dass sich das Produkt innerhalb des Hohlprofils aufspreizen kann, d. h. die Löcher dürfen nicht zu dicht nebeneinander oder zu nah an der Kante gebohrt werden.

Die Profile können in der Werkstatt vollständig vorbereitet und fertig auf die Baustelle geliefert werden, wo die Vorteile einer schnellen Montage dann voll zum Tragen kommen. Wichtig ist, dass die Flächen der miteinander zu verbindenden Komponenten in Kontakt miteinander gebracht werden, bevor der Hollo-Bolt® montiert wird. Zum Abschluss wird der Bund des Hollo-Bolt® mit einem Maulschlüssel festgehalten, damit sich der Grundkörper nicht mitdreht, während die mittige Schraube mit einem Drehmomentschlüssel mit dem vorgegebenen Drehmoment angezogen wird.

Zulassungskonformes Konstruieren mit Hollo-Bolt

Mit Hollo-Bolt hergestellte Stahlbauverbindungen sind proprietäre Produkte, und die Tragfähigkeit des jeweiligen Hollo-Bolt ist dem Lindapter-Katalog oder den Datenblättern zu entnehmen. Es obliegt dem Konstrukteur, die Eignung des Hohlprofil-Bauteils für die darauf einwirkenden Lasten zu überprüfen.

Das „Green Book – simple joints to Eurocode 3“ und andere Konstruktionsleitfäden relevanter Institutionen enthalten Einzelheiten und Methoden für die Verwendung von Spreizdübeln für Stahlverbindungen sowie deren Scher- und Zugtragfähigkeit.

Hollo-Bolt verfügt über unabhängige Lastnachweise von verschiedenen Zulassungsstellen, einschließlich des TÜV in Europa, und trägt die CE-Kennzeichnung. Hierfür musste eine unabhängige Zertifizierungsstelle die Prüfungen am Hollo-Bolt und die Berechnung der charakteristischen Tragfähigkeiten anhand der Ergebnisse beaufsichtigen. Diese Tragfähigkeiten kommen bei der Konstruktion von Verbindungen nach Eurocode 3 zur Anwendung.

Über diese europäischen Zulassungen hinaus ist Hollo-Bolt® (feuerverzinkt) von Nordamerikas führender Zulassungsstelle, dem International Code Council Evaluation Service (ICC-ES), für die Aufnahme von Windlasten und, in Übereinstimmung mit den internationalen und Los Angeles Building Codes, auch in den Vereinigten Staaten zur Verwendung in allen seismischen Bemessungskategorien A bis F zugelassen.

Fazit

Wie dieser Beitrag gezeigt hat, gibt es viele Möglichkeiten für die Befestigung an Hohlprofilen. Daher müssen Konstrukteure und Ingenieure das für die jeweilige Anwendung am besten geeignete Verbindungsverfahren mit großer Sorgfalt auswählen. Die noch relativ neue Verbreitung von Hohlprofilen als Baumaterial und deren vermehrte Verwendung für Tragwerke hat zur Entwicklung innovativer, tragfähiger Befestigungselemente wie Lindapter Hollo-Bolt®, einer echten Alternative zu herkömmlichen Methoden wie Durchgangsverschraubung oder Schweißen, geführt. Ebenso hat der Trend, dass Bauträger und ausführende Unternehmen Konstruktionen in unglaublich kurzer Zeit errichten, die Nachfrage nach Hollo-Bolt für Stahlbauverbindungen beflügelt, weil gerade das Montagetempo ein wesentlicher Vorteil von Hollo-Bolt® ist.

Wenn ein Bauprojekt unter extremem Zeitdruck fertig gestellt werden muss, oder wenn es Einschränkungen beim Schweißen gibt, müssen alternative Verbindungsmethoden geprüft werden. Hollo-Bolt für Stahltragwerke sind die perfekte Wahl für die Herstellung von tragenden Verbindungen mit Hohlprofilen. Weil Hollo-Bolt wesentlich höhere Lasten als andere Befestigungselemente für einseitigen Zugang, beispielsweise Niete, ausgelegt sind und weil sie im Gegensatz zu Gewindebolzen vor Ort mit Standardwerkzeug montiert werden können, ist es lohnenswert, sich ernsthaft mit der Alternative Hollo-Bolt auseinanderzusetzen.