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EFB-Forschungsbericht Nr. 480

Steigerung der Tragfähigkeit in exzentrisch beanspruchten Verbindungen durch den Einsatz von Schließringbolzensystemen

efb480

Verfasser:
M. Sc. Mathias Schwarz, Dipl.-Ing. Filip Wegener, Dr.-Ing. Ralf Glienke, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Fraunhofer-Einrichtung Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock

260 Seiten (sw, 107 teils farbige Abb., 69 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-532-9

Preis (Digital) EUR 67,94

Preis (Print) EUR 85,37

Zusammenfassung

Zur Beschreibung des Tragverhaltens und zur Ableitung eines Bemessungskonzeptes von Verbindungen mit exzentrisch axialkraftbeanspruchten Schließringbolzen für Anwendungen im Stahl- und Maschinenbau wurden im Rahmen des Forschungsprojektes systematische experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, die zu einer Erweiterung der Bemessung von Schließringbolzenverbindungen nach dem EFB-DVS–Merkblatt 3435-2 in Anlehnung an den Eurocode 3 für stahlbauliche Anwendungen und die VDI 2230 – Blatt 1 für maschinenbauliche Anwendungen führen.

Ausgehend von normativen Regelwerken zur Auslegung von Schraubenverbindungen wurden zunächst theoretische Betrachtungen durchgeführt und ein Konzept zur Durchführung und Bewertung von Versuchen zur Ermittlung von Bemessungsregeln für Schließringbolzen unter exzentrischer Axialkraftbeanspruchung entwickelt.

Während im Bereich Bauwesen häufig auf empirischer Basis Tragfähigkeiten ermittelt werden, z. B. im Rahmen von bauaufsichtlichen Verwendbarkeitsnachweisen, so kommt im Bereich Maschinenbau vermehrt die numerische Simulation zur Anwendung. Das Forschungsvorhaben umfasste daher sowohl einen experimentellen als auch einen numerischen Teil. Die in den experimentellen Untersuchungen bestimmten Tragfähigkeiten wurden mit den Ergebnissen aus der Simulation abgeglichen und zeigten eine gute Übereinstimmung.

Durch die umfangreichen experimentelle Untersuchungen, die zu einem deutlichen Erkenntnisgewinn zum Tragverhalten exzentrisch axialkraftbeanspruchter Schließringbolzenverbindungen geführt haben, und andererseits durch die hohe Qualität der numerischen Berechnungen wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein wesentlicher Beitrag geleistet, die derzeit erforderlichen und kostspieligen Versuchsaufwände zur Bemessung von Schließringbolzenverbindungen nachhaltig zu reduzieren.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Steigerung der Tragfähigkeit in exzentrisch beanspruchten Verbindungen durch den Einsatz von Schließringbolzensystemen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 17824BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 480 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

To describe the structural behavior and to derive a design concept of connections with eccentric axial loaded lockbolt systems for applications in steel and mechanical engineering, systematic experimental and numerical investigations were carried out for the extension of the technical bulletin DVS – EFB 3435-2 for the calculation of connections with lockbolt systems according to Eurocode 3 for applications in steel engineering and VDI 2230 – Part 1 for applications in mechanical engineering.

Based on normative rules for the design of bolted joints, theoretical considerations were first carried out and a concept for the performance and evaluation of tests for the determination of design values for lockbolts under eccentric axial load was developed.

While in constructions often on empirical basis load capacities are determined, for example in the context of technical specifications for the building industry, in mechanical engineering the numerical simulation is increasingly used. The research project therefore included both an experimental and a numerical part. The load capacities determined in the tests were continually compared with the results from the simulation and showed good agreement.

Through the extensive experiments on the one hand, which have led to a clear knowledge gain on the load-bearing behavior of eccentric axial loaded connections with lockbolts, and on the other hand by the high quality of the numerical calculations in the research project a significant contribution was made to avoid or reduce the currently required and costly test efforts for the design of lockbolt connections.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Aufbau und Inhalt des vorliegenden Beitrags
3 Problemstellung
4 Zielstellung
5 Einführung in die Schließringbolzentechnologie
5.1 Ausführungsformen
5.2 Schließringbolzenmontage und Vorspannkraft
5.3 Sicherungswirkung bei Querbelastung
5.4 Korrosionsschutz
5.5 Bemessung von Verbindungen mit Schließringbolzen
5.5.1 Nachweis nach EN 1993 (EUROCODE 3)
5.5.2 Nachweis nach VDI Richtlinie 2230 – Blatt 1
6 Theoretische Grundlagen
6.1 Verspannungsschaubild für Montage- und Betriebszustand
6.2 Ermüdungsfestigkeitsnachweis
6.2.1 Nachweis mithilfe des Nennspannungskonzepts nach EN 1993 (EUROCODE 3)
6.2.2 Nachweis der Dauerhaltbarkeit nach VDI Richtlinie 2230 – Blatt 1
6.3 Exzentrischer Angriff einer axialen Betriebskraft
6.3.1 Biegemomente, Biegeverformungen und Schraubenbeanspruchung
6.3.2 Bemessungsmodelle für exzentrisch beanspruchte SV
6.3.3 Biegemomente, Biegeverformungen und Schließringbolzenbeanspruchung
7 Versuchsplanung und Vorbereitung
7.1 Konzept
7.2 Ableitung der für wichtig gehaltenen Einflussgrößen
7.3 Untersuchungsgegenstand
7.3.1 Verbindungselemente
7.3.2 Versuchskörper
7.4 Versuchsmesstechnik
7.4.1 Herstellung von Messbolzen bzw. –schrauben
7.4.2 DMS-Kalibrierung
7.4.3 Interpretation der Messergebnisse
8 Experimenteller Befund
8.1 Traglastversuche an L-Flanschverbindungen
8.1.1 Versuchstechnik
8.1.2 Versuchsergebnisse und Versagensmodus
8.1.3 Bewertung
8.2 Schwingversuche an L-Flanschverbindungen
8.2.1 Versuchstechnik
8.2.2 Versuchsergebnisse und Versagensmodus
8.2.3 Statistische Auswertung
9 Numerische Simulation (FEM)
9.1 FE-Modellierung
9.1.1 Modellierung L-Flansch Geometrie
9.1.2 Modellierung des Verbinders im elastischen Bereich
9.1.3 Kontaktdefinition
9.1.4 Vernetzung
9.1.5 Materialzuweisung
9.1.6 Randbedingungen
9.2 Vergleich FEM mit experimentellem Befund
10 Bemessungskonzept
10.1 Ermüdungsfestigkeitsnachweis mithilfe der experimentellen Untersuchungen
10.2 Ermüdungsfestigkeitsnachweis mithilfe der numerischen Simulation (FEM)
11 Ergebnisse und Ausblick
12 Literaturverzeichnis
13 Anlagen
13.1 Anhang A – Tragverhalten bei statischer Zugbeanspruchung
13.2 Anhang B - Tragverhalten bei schwingender Zugbeanspruchung