Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP
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© Holger Martens
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Mechanische Verbindungstechnik
Arbeitsbereich
Steigende Anforderungen bei der Herstellung energie- und ressourceneffizienter Produkte sowie umwelttechnische Aspekte setzen modulare, transportierbare sowie recyclebare Konstruktionen und Tragwerke voraus. Der damit verbundene Einsatz neuartiger Materialien lässt insbesondere die mechanische Verbindungstechnik in den letzten Jahren eine Renaissance erfahren.
Der Forschungsgruppe Mechanische Verbindungstechnik umfasst verschiedene Forschungsschwerpunkte im Metallleicht- und Stahlbau, im Schienenfahrzeugbau sowie allgemein im Fahrzeug- und Maschinenbau. Gemeinsam mit unseren Kunden erarbeiten wir branchenspezifische Lösungen. Die richtige Auswahl und Beherrschung der Fügeverfahren
entscheidet bereits zu Beginn der Produktentwicklung maßgeblich über die Funktionalität, Zuverlässigkeit und Sicherheit einer Konstruktion. Gleichzeitig hilft die für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Fügetechnologie Kosten und Material während der Produktion und der Nutzung einzusparen.
Unser Tätigkeitsbereich erstreckt sich von der Beratung zur Auswahl der optimalen Fügetechnologie über die Analyse des Tragverhaltens bis hin zum Ableiten geeigneter Bemessungsregeln entsprechend den Anforderungen aus dem jeweiligen Anwendungsfall. Unterstützt werden die theoretischen Betrachtungen durch das akkreditierte Prüflabor des Fraunhofer IGP, welches mit modernster Prüftechnik umfangreiche experimentelle Untersuchungen abbilden kann.
Projektübersicht Mechanische Verbindungstechnik
Kerbfallklassen
Kerbfälle nach EC3
Weiterentwicklung der Kerbfallklassen nach EC3 für nichtgeschweißte Konstruktionsdetails unter Ansatz der synthetischen Wöhlerlinie unter Berücksichtigung stahlbautypischer Fertigungspraxis
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.
Scherschneiden
Qualifizierung des Scherschneidens
Herstellung und Einsatz schergeschnittener Löcher in mechanisch gefügten Verbindungen unter Verwendung höherfester Stähle im Stahlbau bei zyklischen Beanspruchungen
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.
GV-Verbindungen
Imperfekte GV-Verbindungen
Einfluss von fertigungs- und montagebedingten Imperfektionen auf das Tragverhalten geschraubter gleitfester Verbindungen im Stahlbau
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.
Schließringbolzen
Interaktion SRB
Tragverhalten kombiniert beanspruchter Verbindungen mit Schließringbolzensystemen
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.
Hybridverbindungen
Traglaststeigerung durch Strukturklebstoff in der Trennfuge
Weiterentwicklung der vorgespannten Hybridverbindung mit Schließringbolzen & hochfesten Schrauben
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.
Blechstrukturen
Eine Alternative zum Schweißbolzen
Schwingfestigkeit durch Einpressen erzeugter Blechabschnitte
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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Blindbefestiger
Neue Bemessungsregeln
Erweiterung der Anwendungsgrenzen von Blindbefestigern zum Verbinden höherfester Werkstoffe
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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Leistungen
- Beratung zu aktuellen Trends und Entwicklungen in der
Fügetechnik
- Erstellung von gutachterlichen Stellungnahmen und Prüfkonzepten
für Verbindungen im Metallleicht- und Stahlbau
- Ermittlung von Haftreibungszahlen nach DIN EN 1090-2
Anhang G und TL/TP-KOR-Stahlbauten
- Numerische Simulation (FEM) mit parametrisierter
Modellbildung
- Untersuchung der Schwingfestigkeit von Konstruktionsdetails
und Verbindungselementen nach DIN 50100 und DIN
969 (bis M72)
- Wöhlerversuche zur Bestimmung von FAT-Klassen im Sinne
der DIN EN 1993-1-9 bzw. FKM-Richtlinie
- Entwicklung von Bemessungsalgorithmen und Prüfmethoden
für nicht geregelte Fügeverfahren
- Ableitung von Wartungskonzepten aus dem Vorspannkraft-
Zeit-Verhalten (mechanische Wartungsfreiheit)
- Durchführung von Drehmoment/Vorspannkraft-Versuchen
nach DIN EN ISO 16047 (M5 bis M80)
- Seminare zur Berechnung von Schraubenverbindungen
nach DIN EN 1993-1-8 und -9 und VDI 2230
- Zertifizierung und Fremdüberwachung der Hersteller von
Bauprodukten als anerkannte Stelle nach den Landesbauordnungen
der Bundesländer
Ausstattung
| Prüflabor | Fertigungstechnik | Analytiklabor | Eingesetzte Software |
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