Tragverhalten von zugkraftbeanspruchten Lockstud-Systemen zur Herstellung wartungsfreier Verbindungen
Verfasser:
Dr.-lng. Mathias Schwarz, Prof. Dr.-lng. habil. Knuth-Michael Henkel, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock - M.Eng. Melanie Hagemann, M.Eng. Markus Schröder, Prof. Dr.-lng. Ralf Glienke, Prof. Dr.-lng. Daniela Schwerdt, Bereich Maschinenbau, Verfahrens- und Umwelttechnik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Hochschule Wismar
246 Seiten - 125,00 EUR (sw, 94 teils farbige Abb., 25 Tab.)
ISBN 978-3-86776-686-9
Zusammenfassung
Das Forschungsthema zielte darauf ab, das Vorspannkraft-Zeit- sowie das Tragverhalten von Lockstud-Systemen wissenschaftlich zu untersuchen. Der Schaftbolzen eines Lockstud-Systems ist charakterisiert durch ein genormtes metrisches ISO-Gewinde nach DIN 13-1 (Einschraubseite) und einer Rillengeometrie i. A. an die Ausführungsformen Typ C von Schließringbolzen nach dem EFB/DVS Merkblatt 3435-2 (Montageseite). Diese Charakteristik bietet Potential für mechanisch wartungsfreie Verbindungen.
Aufgrund der torsionsfreien Montage und dem sich damit einstellenden Vorspannkraftniveau im Lockstud-System mit geringen Streuungen können durch den eingeformten Schließring mechanisch gefügte Verbindungen gegen selbsttätiges Losdrehen im Betrieb gesichert werden, sodass die Dauerhaltbarkeit von Konstruktionen über die Lebensdauer gewährleistet werden kann.
Dazu werden Lockstud-Systeme mithilfe experimenteller und numerischer Untersuchungen geprüft. Aufbauend auf den Untersuchungen wurden die ermittelten Vorspannkraft-Zeit-Verläufe und Tragfähigkeiten interpretiert, um eine wirtschaftlichere Montage und Bemessung zu ermöglichen.
Im Zuge des Forschungsprojektes wurden Empfehlungen für die Bemessung und Ausführung von Lockstud-Systemen erarbeitet sowie Grundlagen für normative Regelungen zur Implementierung in das EFB/DVS Merkblatt 3435-2 aufgestellt. Hieraus resultiert u.a. für Ingenieurbüros (KMUs) eine einfachere Nachweisführung nach VDI 2230 und EC3-konformen Bemessungsregeln, wobei ausführende Unternehmen des Maschinen- und Stahlbaus somit kosten- und zeitintensive Einzelfalluntersuchungen umgehen können.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Tragverhalten von zugkraftbeanspruchten Lockstud-Systemen zur Herstellung wartungsfreier Verbindungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer EFB/IGF 01IF21540N ) 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. 617 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The aim of the research project was to scientifically investigate the preload-time and load-bearing behaviour of Lockstud systems. The shank bolt of a Lockstud system is characterised by a standardised metric ISO thread according to DIN 13-1 (screw-in side) and a groove geometry similar to the type C of lockbolts according to EFB/DVS Technical Bulletin 3435-2 (assembly side). This characteristic offers potential for mechanically maintenance-free connections.
Due to the torsionfree assembly and the resulting preload level in the Lockstud system with low scattering, mechanically joined connections can be secured against automatic loosening during operation by the swaged collar, so that the durability of structures can be guaranteed over their service life.
To this end, Lockstud systems are tested using experimental and numerical investigations. Based on the investigations, the determined preload -time curves and load-bearing capacities were interpreted in order to enable more economical assembly and dimensioning.
As part of the research project, recommendations for the design and execution of Lockstud systems were developed and the basis for normative regulations for implementation in EFB/DVS Technical Bulletin 3435-2 was established. This results in a simpler verification procedure for engineering offices (SMEs) in accordance with VDI 2230 and EC3-compliant design rules, whereby executing companies in mechanical engineering and steel structures can thus avoid costly and time-consuming individual investigations.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Motivation und Forschungsziel
1.3 Aufbau des Berichts
2 Stand der Technik und Normung
2.1 Metrische Schraubenverbindungen
2.1.1 Normung und festgelegte Festigkeitsklassen
2.1.2 Schrauben- und Mutternwerkstoffe
2.1.3 Gewindeherstellung
2.1.4 Schraube-Mutter-Verbindung nach DIN EN ISO 4014/4032
2.1.5 HV-Schrauben für den Metallbau nach DIN EN 14399-4
2.2 Schließringbolzensysteme
2.2.1 Aufbau einer Schließringbolzenverbindung
2.2.2 Montageablauf für SRB ohne Abrissteil
2.3 Bemessung von Verbindungen im Stahlbau nach EN 1993
2.3.1 Nachweis für zügige Beanspruchung
2.3.2 Nachweis für zyklische Beanspruchungen
2.4 Bemessung von Verbindungen im Maschinenbau nach VDI 2230 – Blatt 1
2.4.1 Rechenschritte für Montage- und Betriebsbeanspruchung
2.4.2 Einschränkungen bei der Bemessung von Lockstud-Systemen
3 Theoretische Grundlagen
3.1 Grundlagen der Kraftübertragung
3.1.1 Scherbelastete Verbindungen
3.1.2 Kraft-Verformungsverhältnisse bei zentrischer Beanspruchung
3.2 Grundlagen der Schwingfestigkeit
3.2.1 Der Wöhlerversuch
3.2.2 Einflussgrößen auf die Schwingfestigkeit
3.2.3 Schwingversuche nach DIN 969
3.2.4 Statistische Auswertung
3.3 Numerische Simulation mittels FEM
4 Versuchsprogramm
4.1 Bearbeitungskonzept
4.2 Versuchsmatrix
5 Charakterisierung der mechanisch-technologischen Eigenschaften
5.1 Geometrische Eigenschaften
5.2 Chemische Zusammensetzung
5.3 Härte
5.3.1 Kernhärte
5.3.2 Mikrohärteverlauf
5.3.3 Härtemapping
5.4 Umgewertete Zugfestigkeit
5.5 Kerbschlagarbeit
5.6 Schutzschichtzustand
5.7 Metallographischer Gefügezustand
6 Montage- und Vorspannkraftverhalten
6.1 Montageverhalten
6.2 Vorspannkräfte
6.3 Vorspannkraft-Zeit-Verhalten
7 Traglastuntersuchungen bei zügiger Beanspruchung
8 Traglastuntersuchungen bei zyklischer Beanspruchung
8.1 Schwingfestigkeitsversuche i.A. an DIN 989
8.1.1 Statistische Auswertung nach Eurocode 3
8.1.2 Statistische Auswertung nach DIN 50100 und VDI 2230 - Blatt 1
8.2 Vorspannkraft-Zeit-Verhalten
8.2.1 Axialbeanspruchung
8.2.2 Querbeanspruchung
8.3 Fraktographische Untersuchungen
8.3.1 Bruchbildbewertung
8.3.2 Rasterelektronenmikroskopie
9 Numerische Untersuchungen
9.1 Simulation des Montageablaufes
9.1.1 2D – Modellaufbau
9.1.2 Ergebnisse
9.1.3 Validierung
9.2 Simulation des Tragverhaltens
9.2.1 Modellklasse IV
9.2.2 Ergebnisse
9.2.3 Modellklasse III
9.2.4 Ergebnisse und Validierung
10 Bemessungsvorschlag zur Erweiterung des EFB-DVS-Merkblattes 3435-2
10.1 Stahlbau nach Eurocode 3
10.2 Maschinenbau nach VDI 2230 – Blatt 1
11 Ergebnisse und Ausblick
11.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
12 Literaturverzeichnis
13 Anlagen
