Bedingungen für eine fertigungs- und reparaturgerechte Ausführung von Schließringbolzen-Verbindungen unter Einhaltung der Mindesttragfähigkeit
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, M.Sc. Wirt.-Ing. Andreas Ebert, Dr.-Ing. Ralf Glienke, Fraunhofer Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock
276 Seiten - 94,00 EUR (sw, 58 teils farbige Abb., 26 Tab.)
ISBN 978-3-86776-451-3
Zusammenfassung
Experimentelle Untersuchungen zur fertigungs- und reparaturgerechten Ausführung von Verbindungen mit Schließringbolzen zielten auf die Bewertung erzielbarer Tragfähigkeiten ab, die den Technikbereichen des Stahl- und Metallleichtbaus sowie des Maschinen- und Schienenfahrzeugbaus zu Gute kommen sollen.
Die allgemeine Beschreibung der Anforderungen an Scherverbindungen schafft die theoretische Grundlage dieser Arbeit. Es wird die Bemessung im Stahlbau nach Eurocode 3 und im Maschinenbau nach VDI 2230 vorgestellt. Anschließend werden die normativen Regelungen für die Ausführung von Verbindungen dargelegt. Dies geschieht mit Hinblick auf die experimentellen Untersuchungen zur Tragfähigkeit von Langlöchern und zur Ermüdungsbeanspruchbarkeit von GV-Verbindungen mit gestanzten Löchern für stählerne Bauteile mit gestrahlten Reiboberflächen.
Nach einer Übersicht zur Schließringbolzentechnologie werden theoretische Betrachtungen zur Ermüdungsfestigkeit bezüglich der hier durchgeführten Schwingversuche an Lochstäben und gleitfesten Verbindungen vorgestellt.
Durch umfangreiche Untersuchungen zur Ermüdungsbeanspruchbarkeit von stählernen gleitfesten Verbindungen mit Schließringbolzen werden die Ursachen einer Verringerung infolge des Stanzprozesses beschrieben und anhand von Schliffbildern, Härteverläufen nachvollzogen sowie quasi-statische Versuche und Schwingversuche an Lochstäben durchgeführt. Ein Einfluss der eingebrachten Vorspannkraft auf die Ermüdungsbeanspruchbarkeit wird daran herausgearbeitet. Das Hauptversuchsprogramm beinhaltet dazu Schwingversuche an gleitfesten Verbindungen mit Schließringbolzen und HV-Schrauben mit gestanzten und gebohrten Löchern. Für die Reiboberflächenvorbehandlung wurde das Sandstrahlen gemäß Gleitflächenklasse A der DIN EN 1090-2 gewählt. Die Ergebnisse der Ermüdungsversuche wurden in Kurven der DIN EN 1993-1-9 ausgewertet. Die Auswertung bezieht sich je nach Hauptversagensart auf einem Lasthorizont auf den Netto- bzw. Bruttoquerschnitt der Verbindung.
Neben der qualitativen grafischen Auswertung lassen sich die Ergebnisse quantitativ mit der ertragbaren Längsspannungsschwingbreite bei 2 ∙ 106 Lastwechseln besser vergleichen. Dies entspricht der numerischen Angabe des Kerbfalls, auch FAT-Klasse genannt. Abschließend werden Vorschläge für die Bemessung und die Ausführung gegeben.
Es wurden ca. 200 Gleitlastversuche mit Schließringbolzen in übergroßen Löchern sowie in kurzen und in großen Langlöchern durchgeführt. Gleitlastversuche wurden an Prüfkörpern aus Baustahl (S355) und Aluminium (EN AW 6060-T66) durchgeführt. Alle Ergebnisse sind im Anhang hinterlegt. Für den Einsatzfall ist festzulegen, dass SRB-Verbindungen mit Langlöchern stets mit Scheiben mindestens auf der Seite des Schließringes ausgeführt werden müssen. Die Übernahme der Ergebnisse in das EFB/DVS-Merkblatt 3435-2 ist bereits für Langlöcher in Stahlwerkstoffen mit Blechdicken t = 3 mm vereinbart.
Es muss geklärt werden, inwiefern Langlochverbindungen in einschnittigen Anschlüssen aus Baustahl mit Einzelblechdicken t = 3 mm zulässig sind. Die Untersuchungen an Prüfkörpern aus Aluminium (EN AW 6060-T66) mit Einzelblechdicken t = 5 mm und 12 mm und Baustahl (S355) t = 3 mm müssen für die Bestimmung des Lochgeometriebeiwertes als ungeeignet angesehen werden. Die Ausbreitung des Verspannungskegels sowie die erzeugte Flächenpressung in der Kontaktfläche konnte im Rahmen dieses Projektes nicht geklärt werden. Es zeigte sich, dass bei der Klemmkraftmessung an M12 SRB in Prüfaufbauten mit Langlöchern und normalen Löchern nahezu das gleiche Vorspannkraftniveau erreicht wurde. Die Verringerung des Gleitwiderstandes wurde eindeutig nachgewiesen.
Für Untersuchungen zum sequentiellen Anziehen von Schließringbolzen ist der einstufige Setzprozess das zugelassene Verfahren. Der Schließring ist demnach vollständig in einem durchgängigen Setzprozess ohne Unterbrechung umzuformen. Hier liegen die Vorteile in der Ausführung von Schraubenverbindungen. Diese können nach dem Abklingen von Setzerscheinungen, beispielsweise nach 72 h, oder im Laufe der Lebensdauer erneut vorgespannt werden. Ziel ist die Erhaltung der Vorspannkraft in der Verbindung. Ein Nachspannen von Schließringbolzen ist nach diesen Untersuchungen nicht zulässig. Es traten nach jedem erneut durchgeführten Setzprozess Vorspannkraftverluste von ca. 2 - 6 kN auf.
Der zweistufige Setzprozess ist nicht als „Nachspannen“ zu bezeichnen, weil beim zweiten Setzschritt ein Teil vom Schließring umgeformt wird. So bringt er mindestens die Vorspannkraft des herkömmlichen einstufigen Setzprozesses ein. Beispiele für die Anwendung sind das Beiziehen von Flanschklaffungen und die Vorfixierung von Verbindungen in mehrreihigen Anschlüssen. Zur Vorkomprimierung von Oberflächen in den Kontaktflächen gleitfester Verbindung könnte diese Vorgehensweise ebenfalls angewendet werden.
Zum Thema der Wiederverwendbarkeit von Schließringbolzen werden Untersuchungen zur wiederholten Einbringung der Vorspankraft an Schließringbolzen vorgestellt. Die Streuung der Vorspannkraft ist mit Vx = 2,7 % sehr gering zu bewerten ist. Diese Werte zeigen das große Potenzial von SRB bezüglich der Eignung zum planmäßigen Vorspannen auf und damit für die Herstellung und Ausführung von gleitfesten Verbindungen im Stahl- und Metallleichtbau sowie im Maschinen- und Schienenfahrzeugbau.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Bedingungen für eine fertigungs- und reparaturgerechte Ausführung von Schließringbolzen-Verbindungen unter Einhaltung der Mindesttragfähigkeit“ wurde unter der Fördernummer AiF 16986BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 406 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Symbolverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung und Zielstellung
1.2 Problemstellung
1.3 Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit
2 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
3 Anforderungen an Scherverbindungen
3.1 Grundlagen der Kraftübertragung
3.1.1 SL-Verbindungen und Versagensarten
3.1.2 GV-Verbindungen und Versagensarten
3.2 Tragverhalten von Verbindungen
3.3 Bemessung von Scherverbindungen
3.3.1 Grundlagen der Bemessung im Stahlbau
3.3.2 Grundlagen der Bemessung im Automobil- und Schienenfahrzeugbau nach VDI 2230
3.4 Ausführung von Scherverbindungen nach DIN EN 1090-2
3.4.1 DIN EN 1090-2 und Anwendungsgrenzen
3.4.2 Fertigungseinflüsse auf die Tragfähigkeit
3.5 Handlungsbedarf für die vorliegende Arbeit
4 Verbindungen mit Schließringbolzen
5 Theoretische Betrachtungen zur Ermüdungsfestigkeit
5.1 Dauerschwingversuche nach Wöhler
5.2 Einflüsse auf die Schwingfestigkeit
5.2.1 Einfluss der Rauheit von Oberflächen
5.2.2 Einfluss der Kerbwirkung am Lochstab
6 Schwingfestigkeit von gleitfesten Verbindungen mit gestanzten und gebohrten Löchern
6.1 Experimentelle Untersuchungen
6.1.1 Versuchsprogramm
6.1.2 Lochungsprozess
6.2 Darstellung und Bewertung der Versuchsergebnisse
6.2.1 Versuche an Lochstäben
6.2.2 Versuchskomplex I - Auswertung gleitfeste Verbindung
6.2.3 Versuchskomplex II - Auswertung gleitfeste Verbindung
6.3 Bemessungsvorschlag
6.4 Ausführungsvorschlag
7 Tragfähigkeit von gleitfesten Verbindungen mit übergroßen Löchern und Langlöchern
7.1 Experimentelle Untersuchungen
7.1.1 Versuchsprogramm
7.1.2 Vorbereitung der Prüfkörper
7.1.3 Gleitlastversuche
7.2 Darstellung und Bewertung der Versuchsergebnisse
7.2.1 Hauptversuche V-I (S355J2+N, t = 12 mm, SRB M12)
7.2.2 Bewertung der Vorspannkraft in Langlöchern für die Hauptversuche
7.2.3 Bewertung der Nebenversuche V-II, V-III, V-IV
7.3 Bemessungsvorschlag
7.4 Ausführungsvorschlag
8 Sequentielles Anziehen von Schließringbolzen
8.1 Experimentelle Untersuchungen
8.1.1 Versuchsprogramm
8.1.2 Charakteristik des Vorspannens im zweistufigen Setzprozess
8.1.3 Möglichkeit des Nachspannens
8.2 Auswirkung auf die Ausführung von Verbindungen mit Schließringbolzen
9 Wiederverwendbarkeit
9.1 Experimentelle Untersuchungen
9.1.1 Vorspannkraft-Zeit-Verhalten
9.1.2 Längszugtragfähigkeit
9.2 Auswirkung auf die Mindesttragfähigkeit
10 Schlussfolgerungen für die Bemessung und Ausführung
11 Ergebnisse und Ausblick
12 Literaturverzeichnis
Verzeichnis der Anhänge
