Bemessungskonzept für tragende Blindnietverbindungen im Stahl- und Maschinenbau
Verfasser:
Dipl.-Wirt.-Ing. Christoph Blunk, Dr.-Ing. Ralf Glienke, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Fraunhofer-Einrichtung Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock
354 Seiten - 189,00 EUR (sw, 89 teils farbige Abb., 25 Tab.)
ISBN 978-3-86776-523-7
Zusammenfassung
Zur Beschreibung des Tragverhaltens und zur Ableitung eines Bemessungskonzeptes von Verbindungen mit Blindnieten für Anwendungen im Stahl- und Maschinenbau wurden im Rahmen des Forschungsprojektes erstmalig grundlegende und systematische experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die zu einem allgemeinen Bemessungskonzept für Blindniete führen. Bestehende Anwendungsgrenzen konnten wesentlich erweitert werden, sodass bei Einhaltung von gewissen Randbedingungen ein getrennter Nachweis von Blindniet und Bauteil möglich ist.
Ausgehend von normativen Regelwerken zur Auslegung von für Schrauben-, Vollniet- oder Schließringbolzenverbindungen wurden zunächst theoretische Betrachtungen durchgeführt und ein Konzept zur Durchführung und Bewertung von Versuchen zur Ermittlung von Bemessungsregeln für Blindnietverbindungen unter Quer- und Axialkraftbeanspruchung entwickelt. In der heutigen Zeit erfolgt der rechnerische Nachweis für die Tragsicherheit auf der Basis moderner Bemessungskonzepte getrennt für Fügeteilwerkstoff und Fügeelement. Zu beachten sind hier der Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-1, -3, -8, -9) für die stahlbaulichen Anwendungen und die VDI-Richtlinie 2230 für den Maschinenbau.
Während im Bauwesen häufig auf empirischer Basis Tragfähigkeiten ermittelt werden, z. B. im Rahmen von bauaufsichtlichen Verwendbarkeitsnachweisen, so kommt im Maschinenbau vermehrt die numerische Simulation zur Anwendung. Das durchgeführte Forschungsvorhaben umfasste daher sowohl einen experimentellen als auch einen numerischen Teil. Die in den Versuchen bestimmten Tragfähigkeiten wurden fortwährend mit den Ergebnissen aus der Simulation abgeglichen und zeigten gute Übereinstimmungen.
Durch die umfangreichen Versuche einerseits, die zu einem deutlichen Erkenntnisgewinn zum Tragverhalten von dünnwandigen Bauteilen geführt haben, und andererseits durch die hohe Qualität der numerischen Berechnungen wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein wesentlicher Beitrag geleistet, die derzeit erforderlichen und kostspielen Versuchsaufwände zur Bemessung von Blindnietverbindungen nachhaltig zu reduzieren. Lediglich bei einzelnen Verbindungskonfigurationen, die keinen oder nur einen unzureichenden rechnerischen Nachweis der Tragfähigkeit erlauben, sollten zur Absicherung der Ergebnisse vorerst weiterhin Versuche herangezogen werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Bemessungskonzept für tragende Blindnietverbindungen im Stahl- und Maschinenbau" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 17823BR 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. 472 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 blind rivets for applications in steel and mechanical engineering, fundamental and systematic experimental investigations were carried out for the first time within the research project, leading to a general design concept for blind rivets. Existing application limits could be significantly extended, so that a separate design of blind rivet and component is possible if certain boundary conditions are met.
Based on normative rules for the design of screw, rivet or lockbolts, theoretical considerations were first carried out and a concept for the performance and evaluation of tests for the determination of design values for blind rivet joints under transverse and axial load was developed.
In the present time, the computational proof of the structural safety on the basis of modern design concepts is carried out separately for joining part material and joining element. Please note the Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-1, -3, -8, -9) for structural steel applications and the VDI guideline 2230 for mechanical engineering. While in construction 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 thin-walled components, 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 blind rivet connections. Only with certain connection configurations, which allow no or only an insufficient computational proof of the loading capacity, tests should continue to be used to secure the results for the time being.
The aim of the project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielstellung des Forschungsvorhabens
2 Stand der Technik
2.1 Grundlagen der Fügetechnik mit Blick auf das Ziel des vorliegenden Berichtes
2.2 Verbindungen mit Blindnieten
2.3 Aufbau und Montage einer Blindnietverbindung
2.4 Auslegung und Gestaltung
2.5 Bewertung relevanter Vorarbeiten
3 Theoretische Grundlagen
3.1 Grundbegriffe und Beanspruchungsfälle
3.2 Mechanisches Fügen im Stahlbau
3.2.1 Tragverhalten mechanisch gefügter Verbindungen im Stahlbau
3.2.2 Scherverbindungen
3.2.3 Zugverbindungen
3.2.4 Bemessung von Verbindungen im Stahlbau nach EN 1993-1-8
3.2.5 Ausführung von Verbindungen im Stahlbau nach EN 1090-2
3.3 Mechanisches Fügen im Metallleichtbau
3.3.1 Regeln für dünnwandige Bauteile aus Stahl nach EN 1993-1-3
3.3.2 Regeln für Aluminiumtragwerke nach EN 1994-1-4
3.4 Mechanisches Fügen im Maschinen- und Schienenfahrzeugbau
3.4.1 Regeln zur Ausführung und Berechnung im Schienenfahrzeugbau
3.4.2 Berechnung von Schraubenverbindungen nach VDI 2230
3.5 Versuchsgestützte Bemessung im Metallleichtbau
3.5.1 Vorbetrachtungen
3.5.2 Grundlagen
3.5.3 Versuchsdurchführung
3.6 Tragverhalten von Verbindungen mit hochfesten Blindnieten
3.6.1 Grundlagen
3.6.2 Versagensmechanismen für Blindnietverbindungen
3.6.3 Bemessungsansätze für Blindnietverbindungen / Stand der Normung
3.7 Bemessung mit bauaufsichtlichem Verwendbarkeitsnachweis
4 Konzept zur Ermittlung von Bemessungsparametern
5 Abschertragfähigkeit nach EN 1993
5.1 Zielstellung
5.2 Einflussgrößen
5.3 Durchführung und Auswertung der Scherversuche
5.3.1 Versuchsaufbau
5.3.2 Versuchsdurchführung und Auswertung
5.3.3 Ausgewählte Ergebnisse Scherversuche
5.3.4 Variation der Fügerichtung und Klemmlänge
5.4 Bewertung der Abscherversuche
6 Zugtragfähigkeit nach EN 1993
6.1 Zielstellung
6.2 Einflussgrößen und Versuchsmatrix
6.3 Durchführung und Auswertung der Zugversuche
6.4 Bewertung der Zugversuche
7 Untersuchungen zur Lochleibungstragfähigkeit nach EN 1993-1-3
7.1 Zielstellung
7.2 Einflussgrößen und Versuchsmatrix
7.3 Durchführung und Auswertung der Lochleibungsversuche
7.3.1 Variation der Blechdicke in einschnittig ungestützten Verbindungen (t = t1) – VK I
7.3.2 Einfluss minimaler Loch- und Randabstände in einschnittig ungestützten Verbindungen (t = t1) – VK II
7.3.3 Stützwirkung in einschnittigen Verbindungen durch zweireihige Nietanordnung (t = t1) – VK III und VK IV
7.3.4 Stützwirkung in zweischnittiger Nietverbindung – VK V
7.3.5 Stützwirkung in einschnittiger Verbindung mit Unterkonstruktion (t1 = 2,5 t) – VK VI
7.3.6 Stützwirkung in einschnittiger, zweireihiger Verbindung mit Unterkonstruktion (t1 = 2,5 t) – VK VII
7.3.7 Einfluss Niettyp in einschnittig gestützter Verbindung (t1 = 2,5 t) – VK VIII
7.3.8 Einfluss Fügerichtung in einschnittig gestützter Verbindung (t1 = 2,5 t) – VK VIII*
7.3.9 Variation Niettyp und -durchmesser in einschnittig gestützter Verbindung (t1 = 2,5 t) – VK IX
7.4 Bewertung der Lochleibungstragfähigkeit und Bemessungsvorschlag
8 Numerische Untersuchungen
8.1 Grundlagen
8.2 Nichtlinearitäten
8.2.1 Plastizität
8.2.2 Geometrische Nichtlinearität
8.2.3 Kontakt und Reibung
8.3 Annahmen und Randbedingungen der Berechnungen
8.3.1 Setzprozess
8.3.2 Längszugprüfung
8.3.3 Querkraftprüfung
8.4 Bewertung der Simulationsergebnisse
8.4.1 Setzprozess
8.4.2 Querkraftprüfung
8.4.3 Längszugprüfung
8.5 Zusammenfassung der numerischen Untersuchungen
9 Bemessungskonzept für Blindnietverbindungen
9.1 Blindnietklassifikation
10 Literaturverzeichnis
11 Anhang
Anhang A – Scherversuche Blindniete
Anhang B – Zugversuche Blindniete
Anhang C – Scher-/Lochleibungsversuche t < 3 mm
Anhang D – Scher-/Lochleibungsversuche t = 3 mm
