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EFB-Forschungsbericht Nr. 324

Numerische und experimentelle Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit von kopfzugbeanspruchten Schließringbolzen- und Blindnietverbindungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dr. Knut-Michael Henkel, Dipl.-Ing. Ralf Glienke, Dipl.Wirt.-Ing. Heiko Kuehl, Dipl.-Ing. Ralf Glienke, Fraunhofer Anwendungszentrum für Großstrukturen in der Produktion Rostock

160 Seiten (sw, 113 teilweise farbige Abb., 37 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-360-8

Preis (Digital) EUR 65,00

Preis (Print) EUR 73,00

Zusammenfassung

Zur Beschreibung des Tragverhaltens von Verbindungen mit Blindnieten (BN), Blindnietbolzen (BNB) und Schließringbolzen (SRB) unter dynamischer Beanspruchung in Längsrichtung (axial) wurden im Rahmen des Forschungsprojektes erstmalig grundlegende und systematische experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Aufgrund der verbindungsimmanenten Bedeutung der Vorspannkraft bei Schließringbolzen gelang für die Modellbildung ein Variantenvergleich mithilfe der numerischen Simulation (FEM).

Ausgehend von den umfassenden Auslegungsrichtlinien für Standardschraubenverbindungen aus dem Stahlbau und Maschinenbau, musste ein Konzept zur Durchführung und Bewertung von Versuchen zur Ermittlung charakteristischer Ermüdungsfestigkeiten für Blindniete, Blindnietbolzen und Schließringbolzen unter axialer Beanspruchung entwickelt werden. Der rechnerische Nachweis für die Ermüdungsfestigkeit erfolgt auf der Basis moderner Bemessungskonzepte getrennt für Fügeteilwerkstoff und Fügeelement. Zu beachten sind hier der Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-9 [1]) für die stahlbaulichen Anwendungen und die VDI-Richtlinie 2230 [2] für den Maschinenbau. Zwischen den beiden Normenkonzepten gibt es einen wesentlichen Unterschied: Eine Schraubenverbindung nach der VDI 2230 hat die Aufgabe, Bauteile so miteinander zu verbinden, dass das Auftreten von Schlupf oder das Auseinanderklaffen verhindert wird. Im Stahlbau hingegen ist das Abheben der Bauteile (Auseinanderklaffen) infolge Längszugbeanspruchung (Kopfzug) zugelassen. Jedoch darf beim Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach EC 3 für vorgespannte Schraubenverbindungen die reduzierte Längsspannungsschwingbreite in Ansatz gebracht werden.

Zur Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit planmäßig vorgespannter Fügeelemente (Schließring- und Blindnietbolzen) und nicht planmäßig vorgespannter Fügeelemente (Blindniete) im Zeitfestigkeits- und Übergangsbereich wurde in Anlehnung an die Schwingfestigkeitsversuche nach DIN 969 [3] eine wiederverwendbare Prüfvorrichtung entwickelt. Hiermit konnten statistisch abgesicherte Versuche durchgeführt und bauteilunabhängig ermittelte Wöhlerlinien gewonnen werden. Im Vorfeld der Schwingfestigkeitsversuche mussten folgende Basisuntersuchungen organisiert werden: Härteverlaufsmessungen an ungesetzten und gesetzten Fügeelementen zur Charakterisierung der Umformvorgänge beim Setzprozess, vorgelagerte Versuche zur Klemmkraftbestimmung sowie quasistatische Längszugversuche zur Ermittlung des Tragverhaltens unter statischer (= vorwiegend ruhender) Beanspruchung.

Zur Bewertung der Versuchsergebnisse wurden die jeweiligen Fügeelemente in den Kerbfallkatalog des Eurocode 3 eingestuft. Die Vorspannung darf hiernach optional berücksichtigt werden, so dass es erstmalig möglich ist Blindniete, Blindniet- und Schließringbolzen gleichermaßen bauteilunabhängig nach dem Nennspannungskonzept auszulegen. Auf derartige Versuchsergebnisse konnte bislang noch nicht zurückgegriffen werden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Numerische und experimentelle Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit von kopfzugbeanspruchten Schließringbolzen- und Blindnietverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 15549BR/1 von der Forschungsvereinigung EFB e.V. über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen  Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 324 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Zusammenfassung
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1Einleitung
1.1Problemstellung
1.2Zielstellung des Projektes
2Nachweis der Betriebsfestigkeit für mechanische Fügeverbindungen
2.1Vorbemerkungen
2.2Stand der Normung
2.2.1Schrauben
2.2.2Schließringbolzen, Blindnietbolzen
2.2.3Blindniete
3Konzept zur Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit
3.1Randbedingungen
3.2Einflussfaktoren auf die Ermüdungsfestigkeit
3.3Konzept nach Eurocode 3
3.4Versuchsumfang
4Versuchsbedingungen
4.1Verwendete Fügeverfahren
4.1.1Blindnieten
4.1.2Schließringbolzen
4.1.3Blindnietbolzen
4.2Wahl der Prüfvorrichtung
4.3Probenherstellung
5Experimentelle Untersuchungen
5.1Härtemessungen
5.1.1Durchführung der Härtemessungen
5.1.2Ergebnisse der Härtemessung für Blindnieten
5.1.3Ergebnisse der Härtemessung für Blindnietbolzen
5.1.4Ergebnisse der Härtemessung für Schließringbolzen
5.1.5Bewertung der Härtemessungen
5.2Klemmkraftuntersuchungen
5.2.1Ziele der Klemmkraftmessung
5.2.2Durchführung der Klemmkraftmessung
5.2.3Ergebnisse der Klemmkraftmessung für Blindniete
5.2.4Ergebnisse der Klemmkraftmessung für Blindnietbolzen
5.2.5Ergebnisse der Klemmkraftmessung für Schließringbolzen
5.2.6Bewertung der Ergebnisse der Klemmkraftmessung
5.3Quasistatische Kopfzugversuche
5.3.1Ziel der quasistatischen Kopfzugversuche
5.3.2Durchführung der quasistatischen Kopfzugversuche
5.3.3Ergebnisse der quasistatischen Kopfzugversuche für Blindniete
5.3.4Ergebnisse der quasistatischen Kopfzugversuche für Blindnietbolzen
5.3.5Ergebnisse der quasistatischen Kopfzugversuche für Schließringbolzen
5.3.6Bewertung der Ergebnisse der quasistatischen Kopfzugversuche
5.4Ermüdungsfestigkeitsversuche
5.4.1Ziel der Ermüdungsfestigkeitsversuche
5.4.2Durchführung der Ermüdungsfestigkeitsversuche
5.4.3Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche für Blindnieten
5.4.4Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche für Blindnietbolzen
5.4.5Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche für Schließringbolzen
6Kerbfallklassen nach Eurocode 3
6.1Gemeinsame statistische Auswertung der Ermüdungsfestigkeitsversuche
6.1.1Gemeinsame statistische Auswertung für Blindniete
6.1.2Gemeinsame statistische Auswertung für Blindnietbolzen
6.1.3Gemeinsame statistische Auswertung für Schließringbolzen
6.2Einordnung der Fügeelemente in Kerbfallkatalog nach Eurocode 3
6.2.1Einordnung der Blindniete in EC3
6.2.2Einordnung der Blindnietbolzen in EC3
6.2.3Einordnung der Schließringbolzen in EC3
6.2.4Kerbfalldefinition nach EC3
7Numerische Untersuchungen (FEM)
7.1Allgemeines
7.2FEM-Berechnungsaufgabe im Rahmen der Projektbearbeitung
7.3FEM-Berechnung
7.3.1Verwendete Programme (CAD, FEM)
7.3.2Modellierungsvarianten (Idealisierung)
7.3.3Randbedingungen
7.3.4Annahmen für die Berechnung
7.3.5Verwendete Elementtypen
7.3.6Lasteneingabe (Loadstep 1 Vorspannung, Loadstep 2 Lastfallkombination)
7.3.7Berechnungsablauf (Solution) und Ergebnisinterpretation
7.3.8Auswertung der Berechnungsergebnisse
7.3.9Vergleich FEM und Experiment
7.3.10Zusammenfassung und weiterführende Betrachtungen zur FEM-Analyse
8Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhangverzeichnis
Anhang