Mechanische Verbindungstechnik

Der Nachweis der Ermüdungsfestigkeit von Stahlbaukonstruktionen erfolgt i. d. R. nach dem Nennspannungskonzept. Dies ist ein leistungsfähiges Nachweiskonzept, welches insbesondere für die Bemessungspraxis in Ingenieurbüros, aber auch für die iterative Bemessung im Bereich von Tragstrukturen für WEA oder Brückenbauwerke von besonderer Bedeutung ist. Jedoch existieren, insbesondere für die nichtgeschweißten Konstruktionsdetails, Konservativitäten in der Bemessung, welche den stetigen Bestrebungen zur Realisierung von ressourceneffizienten und gewichtsoptimierten Strukturen entgegenstehen. Um dieser Differenz zu begegnen soll eine Erweiterung des Nachweiskonzeptes erfolgen, welches die Konservativitäten in der Bemessung beseitigt und zugleich die Einflüsse einer stahlbaulichen Fertigungspraxis geeignet berücksichtigt.

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Mechanische Fügeverbindungen im Stahl- und Metallbau erfordern meist eine Vorlochherstellung. Das dafür geeignete Scherschneiden wird durch normative Regelungen oftmals ausgeschlossen, sodass die wirtschaftlichen Vorteile ungenutzt bleiben. Durch die Anwendung neuartiger Scherschneidmethoden mit optimierten Schnittparametern sowie modifizierten Stempel- und Matrizengeometrien wird auf die Maximierung des Glattschnittanteils an der Lochwand abgezielt. Damit sollen die Nachteile hinsichtlich des Sprödbruch- und Ermüdungsverhaltens gegenüber gebohrten Löchern ausgeglichen werden. Der Fokus liegt dabei in der Verwendung höherfester Stahlsorten. Die Qualifizierung des Scherschneidens erfolgt durch quasi-statische Traglastversuche und Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Lochstäben sowie an Scher-/Lochleibungs- und gleitfest vorgespannten Verbindungen.

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Geschraubte gleitfeste Verbindungen werden traditionell im Stahl- und Anlagenbau immer dann eingesetzt, wenn Schlupf und Verformung in den geschraubten Anschlüssen minimiert werden müssen. Die derzeitige Prüfprozedur der DIN EN 1090‑2, Anhang G ist auf das grundlegende Tragverhalten unter Laborbedingungen beschränkt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erfassung des Einflusses fertigungs- und montagebedingter Imperfektionen sowie betriebsbedingter Einflüsse auf das Tragverhalten gleitfester Schraubverbindungen im Stahlbau, um auf der einen Seite die Tragfähigkeit und damit die Tragsicherheit von GV-Verbindungen über ihre Lebensdauer sicher gewährleisten und auf der anderen Seite unnötige Reparaturen und Kosten vermeiden zu können.

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Für den Einsatz Schließringbolzensystemen unter kombinierter Scher- und Zugbeanspruchung soll ein wissenschaftliches Nachweiskonzept ermittelt werden. Dazu wird die bisher sehr konservativ angesetzte lineare Interaktionshypothese mithilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen geprüft. Die Analyse des Tragverhaltens in Abhängigkeit von der Ausführungsform des Schließringbolzen-Systems, der Nenndurchmesser, der Werkstoffpaarung, der Festigkeitsklasse und der Vorspannung stehen dabei im Vordergrund. Aufbauend auf den Untersuchungen werden die ermittelten Bruchinteraktionen bei kombinierter Scher- und Zugbeanspruchung interpretiert und der Interaktionsnachweis für Schließringbolzenverbindungen gegebenenfalls revisioniert, um eine wirtschaftlichere Bemessung zu ermöglichen.

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Die Gleitfest-vorgespannte Schraubenverbindung (GV-Verbindung) kommt überall dort zum Einsatz, wo mechanische Fügeverbindungen unter Betriebslasten ermüdungssicher und dauerhaft zu bemessen sowie auszuführen sind. Der Tragfähigkeit durch Kraft- bzw. Reibschluss ergibt sich dabei durch Schraubenvorspannkraft und Haftreibungszahl in der Trennfuge. In der Regel sind die erreichbaren Haftreibungszahlen für gängige Korrosionsschutz-Überzüge trotz aufwendiger Reibflächenvorbehandlung gering. Durch die Applikation eines geeigneten Strukturklebstoffs in der Trennfuge sind deutlich höhere Haftreibungszahlen und damit Traglaststeigerungen realisierbar. Im Rahmen des laufenden Forschungsvorhabens soll jene Kombination aus GV-Verbindung und Strukturklebstoff untersucht werden.

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Zur Befestigung von Anbauteilen in „dünnwandigen“ Blechstrukturen bieten umformtechnisch eingebrachte Funktionselemente eine ausgesprochen wirtschaftliche Alternative zum Schweißbolzen. Neben der statischen Beanspruchbarkeit und der Tragfähigkeit bei Crashbeanspruchung ist deren Betreibsfestigkeit stets eine relevante Fragestellung. Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, einen Betriebsfestigkeitsnachweis mithilfe örtlicher Spannungen für umformtechnisch beeinflusste Blechabschnitte zu realisieren, welche beispielsweise infolge eines Verfahrensablaufes bei der Einbringung eines Funktionselementes entstehen. Dem örtlichen Spannungskonzept werden zudem zum Vergleich Nennspannungswöhlerlinien der untersuchten Kerbdetails am umgeformten Blechabschnitt entgegengestellt.
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Im Bereich des Stahl- und Metallleichtbaus ist in den vergangenen Jahren eine Tendenz zum Einsatz höherfester Werkstoffe zu verzeichnen. Diese Kons­truktionen erfahren im Laufe der Zeit neben vorwiegend ruhenden auch nicht vorwiegend ruhende Lasteinwirkungen. Mit dem Einsatz der Blindniettechnik in diesen Konstruktionen ergeben sich aus der Sicht des Tragwerkplaners Fragestellungen, auf die im Zuge aktueller Forschungen am Fraunhofer IGP eingegangen wird. Das Ziel ist die Erarbeitung von Bemessungsregeln, welche die höheren Werkstofffestigkeiten bei der Planung geeignet berücksichtigen. Mit diesen Bemessungskonzepten soll eine wirtschaftlichere und ressourcensparende Auslegung ermöglicht werden.
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