Erweiterung der Anwendungsgrenzen von Blindbefestigern zum Verbinden höherfester Stähle
Verfasser:
M. Sc. Florian Kalkowsky, Prof. Dr.-Ing. Ralf Glienke, Dipl.-Ing. Maik Dörre, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock
368 Seiten - 134,00 EUR (sw, 82 teils farbige Abb., 19 Tab., 172 Tabellen im Anhang)
ISBN 978-3-86776-629-6
Zusammenfassung
Der Einsatz von hochfesten Stählen in Verbindungen mit Blindbefestigern birgt offene Fragestellungen zum Tragverhalten dieser Verbindungen und somit auch Lücken im Rahmen einer Bemessung.
Durch grundlegende und systematische experimentelle Untersuchungen an einfachen Verbindungskonfigurationen sollte das Tragverhalten tiefgründig untersuchte werden sowie Effekte aus dem Einsatz der hochfesten Stähle in den Verbindungen ermittelt und schlussendlich in ein allgemeingültiges Bemessungskonzept zur Auslegung solcher Ver-bindungen überführt werden.
Als Resultat dieser Untersuchungen konnten neue Erkenntnisse zum Tragverhalten ge-wonnen werden, welche eine Erweiterung der Anwendungsgrenzen auf den Bereich der hochfesten Stähle unter Berücksichtigung gewisser Randbedingungen ermöglicht. Die gewonnenen Erkenntnisse beziehen sich, sowohl auf den statischen als auch auf den Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Verbindungen mit Blindbefestigern und ergänzen bzw. erweitern diesen deutlich.
An die Erkenntnisse aus dem Vorgängervorhaben „Bemessungskonzept für tragende Blindnietverbindungen im Stahl- u. Maschinenbau (IGF-Vorhaben Nr. 17823BR), sollte aufgrund des Potentials des dort beschriebenen Bemessungsansatzes, angeknüpft werden. Das darin beschriebene Bemessungskonzept für Blindnietverbindungen ermöglicht dabei einen getrennten statischen Festigkeitsnachweis von Blindniet und Bauteil.
Ausgangsbasis für die jetzigen Untersuchungen bildeten wiederum die normativen Vorgaben zur Bemessung von Verbindungen mit Schrauben und Vollniete gemäß der DIN EN 1993-1-8 im Bereich des Stahlbaus, welcher in Verbindung mit dem Teil 1-12 eine eingeschränkte Bemessung solcher Verbindungen auch beim Einsatz hochfester Stähle zulässt.
Aufbauend darauf wurden Betrachtungen zur Durchführung und Bewertung der Versuche an Verbindungen mit Blindbefestigern unter vorwiegend ruhender und nicht vorwiegend ruhender Querkraftbelastung angestellt, welche dazu dienten die erarbeiteten Ergebnisse in entsprechende Bemessungsregeln zu überführen.
Durch ergänzende numerische Untersuchungen konnten zum einen Stützstellen außerhalb des geprüften Parameterraumes betrachtet und zum anderen Eingangsgrößen für einen Nachweis der Ermüdungsfestigkeit der Bauteil in der Verbindung ermittelt werden, welcher fortan die Festigkeit des Grundmaterials im Nachweis erfasst.
Durch die Zusammenführung der Erkenntnisse aus den umfangreichen experimentellen und numerischen Untersuchungen erfolgt ein deutlicher Erkenntnisgewinn zum Tragverhalten von Verbindungen mit Blindbefestigern beim Einsatz hochfester Stähle.
Die daraus abgeleiteten Bemessungsregeln tragen dazu bei den derzeit erforderlichen, kosten- und zeitintensiven Versuchsaufwand zur Ermittlung von Bemessungsgrößen für Verbindungen mit Blindbefestigern in Einzelfalluntersuchungen nachhaltig zu reduzieren.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Erweiterung der Anwendungsgrenzen von Blindbefestigern zum Verbinden höherfester Stähle" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20037BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 571 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The use of high-strength steels in connections with blind fasteners raises open questions about the load-bearing behaviour of these connections. This also results in gaps in the design of such connections.
By means of basic and systematic experimental investigations on simple joint configurations, the load-bearing behaviour was to be investigated in depth and effects from the use of high-strength steels in the connections were to be determined. These should finally be transferred into a generally design concept for the design.
Because of these investigations, new findings on the load-bearing behaviour could be obtained, which enable an extension of the application limits to the area of high-strength steels, taking into account certain boundary conditions. The knowledge gained relates to both the static and the fatigue strength verification of such connections and clearly supplements or extends them.
The findings from the previous project "Design concept for load-bearing blind rivet joints in steel and mechanical engineering" (IGF project no. 17823BR) were to be taken up due to the potential of the design approach described there.
The design approach for blind rivet joints described therein enables a separate static strength verification of blind rivet and component. The starting point for the current investi-gations was again the normative specifications for the design of connections with screws and solid rivets according to DIN EN 1993-1-8 in the field of steel construction, which in conjunction with Part 1-12 allows a limited design of such connections even when using high-strength steels.
Based on this, considerations were made for carrying out and evaluating the tests on con-nections with blind fasteners under static and cyclic shear force loads, which served to transfer the results obtained into corresponding design rules.
Through supplementary numerical investigations, it was possible, on the one hand, to take into account supporting points outside the investigated parameter space and, on the other hand, to determine input variables for a verification of the fatigue strength of the component in the connection.
As a result, it is now possible to record the strength of the base material in the verification. By combining the findings from the extensive experimental and numerical investigations, a clear gain in knowledge of the load-bearing behaviour of connections with blind fasten-ers when using high-strength steels is achieved.
The design rules derived from this contribute to a sustainable reduction of the currently necessary, cost- and time-intensive experimental effort for the determination of design values for connections with blind fasteners in individual case studies.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielstellung des Forschungsvorhabens
2 Stand der Technik
2.1 Normative Regelung für die Bemessung und Ausführung von mechanisch gefügten Verbindungen im Metallbau
2.2 Versuchsgestützte Bemessung Verbindungen des Metallleichtbaus
2.3 Tragverhalten mechanische gefügter Verbindungen unter Querkraftbeanspruchung
2.3.1 Scher-/Lochleibungsverbindungen (SL-Verbindung)
2.3.2 Lastverteilung in mehrreihigen Anschlüssen
2.4 Nachweis der Ermüdungsfestigkeit
2.4.1 Einflussgrößen auf die Ermüdungsfestigkeit
2.4.2 Nachweis der Ermüdungsfestigkeit nichtgeschweißter Bauteile nach dem EC3
2.4.3 Nachweis der Ermüdungsfestigkeit nichtgeschweißter Bauteile nach der FKM-Richtlinie
2.5 Stand der Forschung
2.5.1 Bemessung von Verbindungen mit Blindbefestigern
2.5.2 Einsatz von hochfesten Stählen im Stahlleicht- und Stahlbau
2.5.3 Tragverhalten von SL-Verbindung mit mechanischen Verbindungselementen und hochfesten Stählen
2.5.4 Ermüdungsfestigkeit von SL-Verbindungen
2.5.5 Neubewertung der Kerbfallklassen nach EC 3 für Verbindungen mit mechanischen Verbindungselementen
3 Experimentelle Untersuchungen
3.1 Grundwerkstoffanalyse
3.1.1 Zugversuche nach DIN EN ISO 6892-1
3.1.2 Chemische Analyse der Grundwerkstoffe
3.1.3 Eigenspannungsanalyse mittels Bohrlochmethode und Lasergranulationsinterferometrie
3.1.4 Bruchflächenanalyse
3.1.5 Gefügeanalyse und Härtemessung nach Vickers
3.1.6 Härtemapping Blindbefestiger
3.2 Setzprozessanalyse
3.3 Analyse des Tragverhaltens unter Querkraft
3.3.1 Charakterisierung des Tragverhaltens von Verbindungen mit Blindbefestigern
3.3.2 Versuche zur Bestimmung der Lochleibungstragfähigkeit
3.3.3 Versuche zur Bestimmung des Tragverhaltens für definierte Grenzkriterien
3.3.4 Versuche zur Bestimmung des Tragverhalten von Mehrpunktproben
3.4 Schwingfestigkeitsversuche
3.4.1 Grundmaterial
3.4.2 Lochstab
3.4.3 Verbindungsprüfung
3.4.4 Bewertung der Versuchsergebnisse mittels FKM-Nachweis
3.4.5 Zusammenfassung
4 Numerische Simulation
4.1 Fließkurvenermittlung
4.2 Setzprozessanalyse
4.2.1 Modellbeschreibung
4.2.2 Validierung des Modells
4.2.3 Einflussgröße Vorlochdurchmesser und Blechdicke
4.2.4 Einflussgröße Bauteilwerkstoff
4.3 Simulation des Tragverhaltens
4.3.1 Modellbeschreibung
4.3.2 Validierung des Modells
4.3.3 Ergebnisse
4.4 Simulation zur Lastverteilung
4.4.1 Modellbeschreibung
4.4.2 Validierung des Modells
4.4.3 Ergebnisse
4.5 Numerische Bestimmung von Eingangsgrößen zum Nachweis nach der FKM-Richtlinie
4.5.1 Modellbeschreibung
4.5.2 Bestimmung der Formzahl Kt,zd
4.5.3 Einflussgröße Lochspiel
4.5.4 Formzahldiagramme
4.5.5 Bezogene Spannungsgefälle Gσ und Stützzahl nach STIELER/SIEBEL nσ
5 Bemessungsvorschlag
6 Ergebnisse und Ausblick
6.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
7 Literatur
8 Anlagenverzeichnis
9 Anlagen
