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EFB-Forschungsbericht Nr. 406

Bedingungen für eine fertigungs- und reparaturgerechte Ausführung von Schließringbolzen-Verbindungen unter Einhaltung der Mindesttragfähigkeit

efb406

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 (sw, 58 teils farbige Abb., 26 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-451-3

Preis (Digital) EUR 74,12

Preis (Print) EUR 92,24

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
Anhang*

* Aufgrund technischer Begrenzungen ist der Anhang im Download nicht enthalten.
   Sie haben die Möglichkeit. den Anhang bei uns anzufordern: info@efb.de

Verzeichnis der Anhänge

Anhang 1:   Zuordnung der Ergebnisse zu den Fachgebieten
Anhang 2:   Zuordnung der Ergebnisse zu den Wirtschaftszweigen
Anhang 3:   Kategorien zur Einteilung und Auswahl der Ausführungsklassen EXC
Anhang 4:   Ergebnisse an GV-Verbindungen mit Langloch (VALTINAT in [25])
Anhang 5:   Loch- und Randabstände (branchenübergreifend) [16 S. 27], [24] [74], [29] [11]
Anhang 6:   Lochstäbe für quasi-statische und Schwingversuche
Anhang 7:   Referenzstab, Lochstab; Daten für die Auswertung
Anhang 8:    Prüfköper für Zugversuch und Ergebnis für Versuchskomplex I
Anhang 9:   Referenzstab Versuchskomplex I
Anhang 10:   Prüfkörper Versuchskomplex I
Anhang 11:   Zugversuche am Prüfkörper Versuchskomplex I
Anhang 12:    GV_St_SRB_100% (Versuchskomplex I)
Anhang 13:   GV_Bo_SRB_100% (Versuchskomplex I)
Anhang 14:   GV_St_HV_50% (Versuchskomplex I)
Anhang 15:   GV_Bo_HV_50% (Versuchskomplex I)
Anhang 16:   Auswertung aller vier Versuchsserie Versuchskomplex I
Anhang 17:   Übersicht (Versuchskomplex II)
Anhang 18:   Versuchskomplex II: Zugversuch am Grundwerkstoff
Anhang 19:   Ermittlung der maximalen Beanspruchbarkeit für die Ermüdungsversuche aus Versuchskomplex II
Anhang 20:   GV_St_SRB_M12
Anhang 21:   GV_Bo_SRB_M12
Anhang 22:   GV_St_HV_M12
Anhang 23:   GV_Bo_HV_M12
Anhang 24:   Kapitel 5 - Übersicht zur Versuchsdurchführung zur Bestimmung der Geometriebeiwerte für verschiedenen Lochgeometrien
Anhang 25:   Vorversuch zur Scheibenauswahl
Anhang 26:   Einsatz der Scheibe nach ISO 7093 [72] für Langlöcher
Anhang 27:   Versuchskomplex I (Baustahlstahl t = 12mm, Bobtail® M12, FK 10.9)
Anhang 28:   V - I - N - N - A (Referenzserie)
Anhang 29:   V - I - N - üL - A
Anhang 30:   V - I - üL - N - A
Anhang 31:   V - I - N - üL - B
Anhang 32:   V - I - kL - N - A
Anhang 33:   V - I - N - kL - B
Anhang 34:   V - I - kL|| - N - A
Anhang 35:   V - I - N - kL|| - B
Anhang 36:   V - I - N - gL - B
Anhang 37:   V - I - gL - N - A
Anhang 38:   V - I - N - gL|| - B
Anhang 39:   V - I - gL|| - N - A
Anhang 40:   V - I - gL|| - gL - C
Anhang 41:   Vorspannkraftmessung Langlöcher und normal tolerierte Löcher
Anhang 42:   Versuchskomplex II (Baustahl t = 3 mm, Standard SRB M8, FK 8.8)
Anhang 43:   V - II - S355 (3 mm) - N - N - A (Referenzserie)
Anhang 44:   V - II - S355 (3 mm) - N - gL senkrecht - B
Anhang 45:   V - II - S355 (3 mm) - N - gL parallel - B
Anhang 46:   V - II - S355 (3 mm) - gL senkrecht - gL parallel - C
Anhang 47:   Versuchskomplex III (Al t = 12 mm, Bobtail® M12, FK 10.9)
Anhang 48:   V - III - 6060 (12 mm) - N - N - A (Referenzserie)
Anhang 49:   V - III - 6060 (12 mm) - N - gL senkrecht - B
Anhang 50:   V - III - 6060 (12 mm) - N - gL parallel - B
Anhang 51:   V - III - 6060 (12 mm) - gL senkrecht - gL parallel - C
Anhang 52:   Versuchskomplex IV (Al t = 5 mm, Standard SRB M8, FK 8.8)
Anhang 53:   V - IV - 6060 (5 mm) - N - N - A (Referenzserie)
Anhang 54:   V - IV - 6060 (5 mm) - N - gL senkrecht - B
Anhang 55:   V - IV - 6060 (5 mm) - N - gL parallel - B
Anhang 56:   V - IV - 6060 (5 mm) - gL senkrecht - gL parallel - C
Anhang 57:   Prüfaufbau und Randbedingungen zweistufiger Setzprozess/Nachspannen
Anhang 58:   Nachspannen von Schließringbolzen
Anhang 59:   Daten zur Vorspannkraftmessung bei wiederverwendeten SRB (Ø = 25,4 mm, Typ: Bobtail® ohne Abrissteil)
Anhang 60:   Kraft-Weg-Diagramm: SRB 1" (Bobtail)