Holzbauschrauben und Verbinder: Vermeidung von Brüchen durch fachgerechte Montage

Holzbauschrauben spielen bei konstruktiven Verbindungen eine zentrale Rolle. Dies gilt insbesondere an den besonders komplexen Bauteilanschlüssen zwischen Stahl und Holz. Mit ihrer zunehmenden Verwendung in immer größeren Gebäuden und bei hybriden Bausystemen kamen neue Fragen auf: Was geschieht, wenn diese Schrauben früher als erwartet versagen?
Und noch wichtiger: Wie sehr wirkt sich die Montage auf die Wahrscheinlichkeit eines Versagens der Schrauben aus?

Vorzeitiges Versagen ist keine auf die Produktqualität beschränkte Störung: Es handelt sich um das Ergebnis eines instabilen Gleichgewichts zwischen mechanischen Belastungen, Umgebungsbedingungen und Montagemethoden.

Das folgende Diagramm ist dem Whitepaper Rothoblaas „Premature Failure in Timber Screws: Insights into Hydrogen Embrittlement and Stress-Driven Risk“ entnommen und erläutert die zeitliche Entwicklung sowie die verschiedenen Arten von Holzbauschraubenbrüchen: von den unmittelbaren und unter „trockenen“ Bedingungen auftretenden Brüchen – beispielsweise ein zu hohes Drehmoment (Overtorque) und Interne Wasserstoffversprödung (IHE) – bis hin zu zeitverzögerten Brüchen unter „nassen“ Bedingungen, wie der durch Feuchtigkeit verursachten Stress Corrosion Cracking (Spannungsrisskorrosion) (HI-SCC).

Die Bedeutung liegt auf der Hand: Ein Versagen der Holzbauschrauben kann lange vor dem baulichen Versagen beginnen. In vielen Fällen ist der Auslöser bereits bei der Montage vorhanden, aber manifestiert sich erst beim Zusammentreffen mehrerer ungünstiger Bedingungen.

Overtorque bei Holzbauschrauben: Wenn „fester Anzug“ „zu viel“ bedeutet.

Zu den Hauptursachen für vorzeitige Brüche unter trockenen Bedingungen gehört ein zu hohes Drehmoment bei der Montage, das allgemein als Overtorque bekannt ist und die Festigkeit der Schrauben untergräbt.
Es handelt sich um einen Zustand, in dem das Drehmoment die für die Schraube empfohlenen Höchstwerte überschreitet. Auf diese Weise entstehen Restspannungen entlang des Schafts, und die Fähigkeit zur plastischen Verformung wird reduziert.

Bereits Steigerungen von 20–30 % gegenüber dem empfohlenen festgelegten Drehmomentbereich genügen, um die Zugfestigkeit des Verbinders signifikant zu beeinträchtigen.

Dieses Phänomen tritt häufiger auf, als man denkt, vor allem auf Baustellen, wo die persönliche Wahrnehmung eines „guten Anzugs“ leicht dazu führen kann, dass die technischen Grenzen überschritten werden.

Aber das Problem beschränkt sich nicht nur auf die manuell ausgeübte Kraft: Es verschärft sich vor allem bei der Verwendung von Impulsschraubern in Holz-Stahl-Verbindungen, und insbesondere bei dicken oder sehr steifen Platten.

In diesen Konfigurationen brechen die Schrauben leichter: Der Verbinder kann sich nicht frei anpassen, wie es bei Holz-Holz-Verbindungen der Fall ist; der Schraubenkopf befindet sich auf Anschlag mit der Stahlplatte, während der Schrauber sich weiterdreht.
Die Schraube kann dadurch unnötig verdreht werden: Die Restspannung konzentriert sich sowohl auf den Bereich unter dem Kopf als auch auf den ersten Gewindeschaftabschnitt, an dem häufig Brüche zu beobachten sind.

Die lokale plastische Verformung kann Mikrobrüche in der Schutzschicht öffnen und bei Feuchtigkeit korrosive Mechanismen begünstigen.

Im Labor zeigte der kontrollierte Einsatz von Impulsschraubern an Stahl-Holz-Verbindungen Drehmomentwerte, die bis zu 230 % über dem vom Hersteller angegebenen Grenzwert lagen, was vom Anwender nicht wahrnehmbar war. Dieses Übermaß belastet nicht nur die Schraube unverhältnismäßig, sondern hat einen zweiten, verborgenen Effekt: die Beschädigung des Gegengewindes im Holz. Wenn die Schraube ihren Endanschlag auf der Platte erreicht und sich dabei aber immer noch dreht, dringt sie nicht weiter in das Holz ein, sondern zerkleinert die Fasern, die sie beim Einführen verdichtet hat. Dies könnte ihre Auszugsfestigkeit schwächen.

Auch ohne unmittelbares Versagen kann eine Holzbauschraube, die durch ein zu starkes Drehmoment beschädigt wurde, vorzeitige Spannungsbrüche aufweisen. Dies gilt insbesondere bei kombinierten Ereignissen wie Feuchtigkeit, Vibrationen oder lokalem Holzversagen.

Der Einsatz von Impulsschraubern ist nicht per se problematisch: Das Risiko tritt nur in starren Konfigurationen, in der Regel Stahl-Holz-Verbindungen, auf. In Holz-Holz-Verbindungen mit höherem Stauchungsvermögen und einer besseren Verteilung der Spannungen https://www.rothoblaas.de/research-and-development/accredited-test-report-rothoblaas-timber-screws-with-impactimpulse-driverslassen sich diese Werkzeuge sicher verwenden, da die Schrauben unter Einhaltung der vorgegebenen Drehmomentgrenzen eingesetzt werden.

Falsche Winkel: unsichtbare Bedrohung für Holzbauschrauben

Wenn eine Schraube nicht axial ausgerichtet eingedreht wird, können selbst minimale Abweichungen zu einer dauerhaften Verformung (Biegung) entlang des Schafts führen. Entsprechende Untersuchungen bestätigen, dass dieser Zustand je nach Ausmaß der Biegung die Zugkraft der Schraube erheblich reduzieren kann, in manchen Fällen um bis zu 30 %. Unter trockenen Bedingungen bedeuten diese Verformungen ein geringeres Risiko für ein unmittelbares Versagen.

Wenn Feuchtigkeit in die Verbindung eindringt, ebnen hingegen die beim Eindrehen entstandenen Mikrobrüche den Weg für Korrosion und Wasserstoffaufnahme. Und genau in diesen Situationen kann der Verbinder versagen, auch wenn er Belastungen ausgesetzt ist, die weit unter dem vorgesehenen Wert liegen.

Quellverformung von Holz: Ursachen für das Versagen von Schrauben.

Insbesondere in Stahl-Holz-Verbindungen kann die feuchtigkeitsbedingte Quellverformung des Holzes erheblichen Druck auf die Schrauben ausüben. Laut einer Studie der University of Alberta kann die Kombination von Quellverformung und Overtorque noch vor Aufbringen einer externen Last eine axiale Belastung erzeugen, die 65 % der Zugkraft der Schraube entspricht.

Die unsichtbare Wirkung mikroskopischer Bruchmechanismen

Wie zuvor erläutert, werden die bei der Montage entstehenden Mikrorisse durch ein übermäßiges Drehmoment, Biegungen durch Eindrehen außerhalb der Achse und heftige Stöße des Schafts, Gewindes oder Schraubenkopfes gegen die Stahlplatten verursacht. Auch wenn diese Störungen anfangs harmlos sind, können sie sich unter Belastung zu Brüchen entwickeln oder bei Feuchtigkeit als Aufnahmezentren für Wasserstoff wirken. Ihre Gefährlichkeit nimmt exponentiell zu, wenn die Holzbauschraube unter feuchten Bedingungen und/oder in Kontakt mit aggressiven Hölzern montiert wird. In solchen Fällen können selbst Schrauben mit geringer Härte anfällig für eine umgebungsbedingte Versprödung werden.

All diese Faktoren, die die Beständigkeit der Schrauben beeinträchtigen, konzentrieren sich möglicherweise in verschiedenen Phasen der Montage und Inbetriebnahme.

Die Montagequalität ist somit das Ergebnis einer durchgängigen Kette technischer Maßnahmen:

• Der Planer hat die Aufgabe, die Montageanforderungen klar festzulegen: maximales Drehmoment, Winkelbeschränkungen und Umgebungsbedingungen des Projekts.
  Ferner muss er einen Plan zur Feuchtigkeitskontrolle (Moisture Management Plan) erstellen, um – insbesondere während der Bauphase – die Einwirkung von Nässe auf das Bauwerk zu begrenzen.

• Der Hersteller muss gewährleisten, dass die Verbinder für die zu erwartenden Belastungen und Bedingungen ausgelegt und geprüft sind und hat die Aufgabe, angemessene technische Spezifikationen und Montageanweisungen bereitzustellen.

• Der Monteur muss die Anweisungen des Planers und des Herstellers beachten sowie geeignete Werkzeuge verwenden: Der Einsatz von Montagelehren, Bohrschablonen und Pilotbohrungen kann die Winkelgenauigkeit entscheidend verbessern, während Schrauber mit kontrolliertem Drehmoment die Einhaltung von Grenzwerten ermöglichen, ohne kritische Schwellenwerte zu überschreiten.

Bewährte Verfahren und nützliche Werkzeuge zur Vermeidung von Brüchen bei Holzbauschrauben

Die Überprüfung der Ausrichtung bedeutet nicht nur „den Blick nach vorn richten“. Montagen in exponierten Umgebungen müssen geschützt werden: Bahnen, Dichtungsmittel und logistische Planung können hier den Unterschied machen.

Rothoblaas-Produkte wie TORQUE LIMITER oder Montagelehren wie JIG VGU sind mittlerweile unverzichtbare Verbündete in jedem Montagekoffer.

Selbst die stabilste Schraube kann versagen, wenn sie zu sorglos behandelt wird. Die von Rothoblaas und den Forschungspartnern (KIT und University of Alberta) zusammengetragenen Daten bestätigen, wie kritisch die Montagephase bei Holzbauschrauben ist: Jede falsche Montage wird zum potentiellen Auslöser.

Mit Sorgfalt montieren, Empfehlungen befolgen, Bruchmechanismen verstehen: Mit dieser Denkweise werden Schrauben auch die Architektur der Zukunft tragen, ohne zu versagen – selbst bei noch größeren, noch anspruchsvolleren Bauwerken.

Rothoblaas hat sich dieser Aufgabe gestellt. Hier erfahren Sie mehr über unser Engagement: Premature Failure in Timber Screws: Insights into Hydrogen Embrittlement and Stress-Driven Risk