Vorgespannte Hybridverbindungen mit Schließring- und Blindnietbolzen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dr.-Ing. Ralf Glienke, M.Sc. Wirt.-Ing. Andreas Ebert, Dipl.-Ing. Maik Dörre, Fraunhofer-Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock - Prof. Dr.-Ing. Uwe Füssel, Dipl.-Ing. Jan Kalich, Professur Fügetechnik und Montage am Institut für Fertigungstechnik, Technische Universität Dresden
252 Seiten - 85,00 EUR (sw, 191 teils farbige Abb., 59 Tab.)
ISBN 978-3-86776-482-7
Zusammenfassung
Im Rahmen des Forschungsprojektes konnte für die vorgespannte Hybridverbindung mit SRB gezeigt werden, dass durch die Klebung auf feuerverzinkten Oberflächen mit dem Versuchsklebstoff ScotchWeld 7240 eine enorme Steigerung der Traglasten im Vergleich zu den nicht geklebten Anschlüssen erzielt wird. Weiterhin bestätigte sich der Superpositionseffekt der Gebrauchslasten der gleitfest vorgespannten Verbindung mit Schließringbolzen und der Bruchlast der elementaren Klebung.
Die substanzielle Erkenntnis wird allerdings anhand der ausgewerteten Versagensarten und der mit dem Versagensereignis einhergehenden Streubreiten der Traglasten gefunden.
Zunächst ist zu konstatieren, dass die experimentell ermittelten Traglasten der hybriden Verbindungen im Vergleich zur geklebten Verbindung deutlich geringer streuten. Im Durchschnitt war für die hybride Verbindung ein Variationskoeffizient von 4 %, entgegen dem Variationskoeffizient von 17 % der elementaren Klebung, festzustellen.
Des Weiteren konnte eine Verlagerung des Versagensmechanismus vom substratnahen Bruch zwischen Verzinkung und Grundwerkstoff hin zum Adhäsionsversagen zwischen Klebstoff und Verzinkung beobachtet werden. Im Vergleich zur elementar geklebten Verbindung ist somit nicht mehr die auf dem Substrat aufgebrachte Verzinkung als versagensmaßgebend zu erachten.
Die erläuterten Erkenntnisse besitzen hinsichtlich der direkten Anwendung der Hybridverbindung auf verzinkten Oberflächen aus zwei Gründen enormes Potential.
Einerseits bedeutet die signifikante Reduzierung der Streuungen für die meisten Ingenieursdisziplinen den Vorteil, dass die aus statistischen Berechnungen herangezogenen Bemessungswerte (charakteristischer Wert der Tragfähigkeit, zum Beispiel anhand des 5 %-Quantils) viel enger am Erwartungswert (Mittelwert) liegen und damit per se eine höhere Ausnutzung der Verbindung zulassen.
Andererseits gelingt es offensichtlich mithilfe des „Überdrückens" den Versagensmechanismus zu beeinflussen. An diesen Punkten soll im angestrebten Forschungsvorhaben angeknüpft werden.
Des Weiteren konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sich die Traglast der Hybridverbindung zum einen proportional zur Überlappungsbreite verhält und zum anderen mit steigender Überlappungslänge gegen einen Grenzwert konvergiert. Diese experimentellen Befunde legen nahe, dass die Hybridverbindung die grundlegenden Charakteristiken einer Klebverbindung aufweist. Allerdings ist es nicht so, dass sich die Hybridverbindung auf die reine „elementar" geklebte Verbindung von Blechen reduzieren lässt. Vielmehr deutet vieles darauf hin, dass die vorgespannten SRB die Querzugspannungen in der Klebverbindung überdrücken und dass dadurch im Vergleich zur reinen geklebten Verbindung signifikante Laststeigerungen möglich sind.
In den Versuchen wurde nur ein äußerst geringer Verlust der Vorspannkraft in den SRB gemessen (6,3 % bei Klebstoffaushärtung und infolge Setzens, 2,5 % unter Querzugbelastung bis zum Versagen der Klebschicht). Dies lässt den Schluss zu, dass die Wirkung der Vorspannung über die gesamte Betriebsdauer der Hybridverbindung erhalten bleibt. Durch die Kombination beider Tragmechanismen der hybriden Verbindung, vorgespannte Bolzen und Klebung, ist eine Auslegung nach bestehenden Bemessungsregeln und Normen nicht möglich.
Eine Abschätzung der Traglasten über Haftreibungszahlen µ, wie diese üblicherweise für gleitfeste Verbindungen verwendet werden, scheint prinzipiell ungeeignet, da nicht die Haftreibungseigenschaften der Kontaktflächen im Bereich des Verformungskegels traglastbestimmend sind, sondern die überdrückte Klebfugenfläche im Anschluss ausschlaggebend ist. Weitere Ergebnisse haben gezeigt, dass die vorgespannte Hybridverbindung mit SRB auch unter Dauerbelastung sowie unter Ermüdung ein leistungsfähiges Verbindungsmittel ist. Auch die Untersuchungen zum Verhalten nach Alterung haben erfreuliche Ergebnisse gezeigt.
Das Ziel des Projektes wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Vorgespannte Hybridverbindungen mit Schließring- und Blindnietbolzen" wurde unter der Fördernummer AiF 17596BR 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 434 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Inhaltsverzeichnis
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 Stand der Technik
3.1 Fügeverbindungen mit Schließring- und Blindbolzen
3.1.1 Blindbolzen
3.1.2 Schließringbolzen
3.2 Fügeverbindungen mittels Kleben
3.3 Hybridverbindungen
4 Theoretische Grundlagen
4.1 Mechanisches Fügen im Stahlbau
4.1.1 Tragverhalten mechanisch gefügter Verbindungen im Stahlbau
4.1.1.1 Scher-/Lochleibungsverbindungen und Versagensarten
4.1.1.2 Gleitfeste Verbindungen und Versagensarten
4.1.1.3 Last-Verschiebungsverhalten von Scherverbindungen
4.1.1.4 Zugverbindungen und Versagensarten
4.1.2 Bemessung von Verbindungen im Stahlbau nach EN 1993
4.1.2.1 Scherverbindungen nach EN 1993 (Eurocode 3)
4.1.2.2 Zugverbindungen nach EN 1993
4.1.2.3 Kombinierte Scher- und Zugbeanspruchung
4.1.3 Ausführung von Verbindungen im Stahlbau nach EN 1090-2
4.1.4 Versuchsgestützte Bemessung nach DIN EN 1990
4.1.5 Ermittlung der Haftreibungszahl nach Anhang G, EN 1090-2
4.2 Mechanisches Fügen im Maschinen- und Schienenfahrzeugbau
4.2.1 Regeln zur Ausführung und Berechnung im Schienenfahrzeugbau
4.2.2 Berechnung von Schraubenverbindungen n. VDI 2230
4.2.3 Berechnung von Schließringbolzenverbindungen n. EFB/DVS 3435-2
4.3 Kleben
4.3.1 Auslegung und Beanspruchung von Klebverbindungen
4.3.2 Prüfung und Bewertung von Klebverbindungen nach DIN EN ISO 10365
5 Versuchsplanung
5.1 Werkstoffe
5.2 Bauteiloberflächen
5.2.1 Dicke des Zinküberzuges
5.2.2 Rauheitstiefe
5.2.3 Haftfestigkeit
5.3 Versuchsrandbedingungen und Umfang
6 Experimentelle Untersuchungen an elementaren Klebverbindungen
6.1 Klebstoffauswahl
6.2 Rheologische Untersuchungen
6.3 Charakterisierung der Klebverbindung
7 Experimentelle Untersuchungen an Hybridverbindungen
7.1 Versuchskomplex I – Einfluss Loch- und Randabstände
7.1.1 Probendimensionierung
7.1.2 Prüfkörperherstellung
7.1.3 Klebschichtdicke
7.1.4 Versuchsdurchführung
7.1.5 Versuchsergebnisse
7.2 Versuchskomplex II – Einfluss der Dauerstandbelastung
7.2.1 Probendimensionierung
7.2.2 Versuchsdurchführung
7.2.3 Klebschichtdicke
7.2.4 Experimenteller Befund
7.2.4.1 Gleitlastversuche
7.2.4.2 Prüfung der Kriechgleitneigung
7.2.4.3 Erweiterte Kriechprüfung
7.3 Versuchskomplex III – Ermittlung der Haftreibungszahl nach Anhang G der DIN EN 1090-2
7.3.1 Probendimensionierung und Versuchsumfang
7.3.2 Prüfkörperherstellung und Klebschichtdicke
7.3.3 Versuchsdurchführung
7.3.4 Versuchsergebnisse
7.3.4.1 Vorspannkraft-Zeitverhalten in Hybridverbindungen
7.3.4.2 Traglastversuche an zweischnittigen GV-Verbindungen
7.3.4.3 Traglastversuche an zweischnittigen Klebverbindungen
7.3.4.4 Traglastversuche an vorgespannten Hybridverbindungen
7.3.5 Bewertung der Versuchsergebnisse aus Versuchskomplex III
7.4 Beurteilung der Versuchsergebnisse
8 Untersuchungen zum Alterungsverhalten an Hybridverbindungen
8.1 Einleitung
8.2 Durchgeführte Untersuchungen zum Tragverhalten nach Alterung
8.2.1 Alterungstest nach Belastungsdauer
8.2.2 Alterungstest ohne Vorbelastung
8.2.3 Alterungstest nach Temperierung
8.2.4 Alterungstest nach definiertem Vorstrecken
9 Demonstratorbauteil
10 Schlussfolgerungen für die Bemessung und Ausführung
11 Zusammenfassung
11.1 Ausblick
12 Darstellung des wissenschaftlich technischen und wirtschaftlichen Nutzens
13 Literaturverzeichnis
14 Verzeichnisse Normen und Richtlinien
15 Verzeichnis der Anhänge
