Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGPDie 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 vereinfacht ausgedrückt 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.
Problemstellung
Erzielbare Haftreibungszahlen von GV-Verbindungen an Korrosionsschutz-Überzügen wie der Feuerverzinkung im Stahl- und Anlagenbau oder Grundierungen im Schienenfahrzeugbau sind trotz aufwendiger und kostspieliger Reibflächenvorbehandlung klein (0,04 ≤ µ ≤ 0,5). Um eine Reibflächenvorbehandlung überflüssig zu machen und gleichzeitig die Haftreibungszahlen zu erhöhen entstand die Idee der vorgespannten Hybridverbindung. Erste Untersuchungen ergaben Haftreibungszahlen von µ ≥ 1 und damit erhebliche Traglaststeigerungen bei Interpretation der Ergebnisse nach normativem Standard (EN 1090-2 Anhang G). Allerdings können die mit den Haftreibungszahlen verknüpften normativen Bemessungskonzepte nach EN 1993-1-8 bzw. VDI 2230-1 nicht auf die vorgespannte Hybridverbindung angewendet werden.
Zielstellung und Lösungsweg
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ableitung von Bemessungsregeln für vorgespannte Hybridverbindungen aus experimentellen und numerischen Untersuchungen. Zunächst wurden je zwei optimale Klebstoffe für die untersuchten Oberflächen (Feuerverzinkung, Grundierung) an rein geklebten Kleinproben in Zug-Scher-Prüfungen ermittelt. Durch anschließende Gleitlastversuche an großmaßstäblichen, vorgespannten Hybridverbindungen konnte die quasi-statische Tragfähigkeit eruiert werden. Eine mechanische und thermoanalytische Charakterisierung der Klebstoffe diente zur Bestimmung der Werkstoffparameter als Eingangsparameter für die numerische Simulation.
Nutzen
Durch die weitaus höheren, übertragbaren Lasten der schubbeanspruchten Hybridverbindung im Vergleich zur herkömmlichen GV-Verbindung entsteht Einsparungspotenzial bei der Anzahl an Durchgangslöchern, der Anschlussfläche sowie den benötigten Verbindungselementen- bzw. Durchmessern. Von weitaus größerer wirtschaftlicher Bedeutung wäre jedoch der Wegfall der Reibflächenvorbehandlung (z.B. Sweepen) sämtlicher verbindungsrelevanter Kontaktflächen. Die aus den Untersuchungsergebnissen entstehenden Bemessungsregeln ermöglichen dem anwendenden Berechnungsingenieur die Nachweisführung vorgespannter Hybridverbindungen.