Beschreibung
P 1091 – Entwicklung eines Konzeptes zur Erfassung von Vorspannkraftverlusten in vorgespannten Schraubverbindungen unter Ermüdungsbeanspruchung
Die in Bauwerken mit dynamischen Beanspruchungen eingesetzten Schraubverbindungen werden gezielt vorgespannt, um die Beanspruchbarkeit und Steifigkeit der Anschlüsse zu erhöhen. Des Weiteren dient das Vorspannen dazu, eine deutliche Steigerung der Ermüdungsfestigkeit unter Zug- und/oder Scherbeanspruchung zu erzielen. Aus diesen Gründen werden bei Konstruktionen mit dynamischen Beanspruchungen zwingend vorgespannte geschraubte Verbindungen eingesetzt. Die bereits nach der Montage in den geschraubten Verbindungen auftretenden Vorspannkraftverluste sind idealerweise bei der Bemessung der Konstruktion realistisch abzuschätzen und implizit zu berücksichtigen, damit die rechnerisch angesetzte Vorspannkraft in der Verbindung während der Nutzungsdauer des Bauwerks verbleibt. In diesem Forschungsprojekt wurden systematische Untersuchungen an vorgespannten geschraubten Verbindungen der Kategorien B/C und E nach EN 1993-1-8 durchgeführt.
Die Vorspannkraftverluste wurden mit Hilfe von Setz-/Relaxationsversuchen sowie quasistatischen- und Schwingversuchen jeweils getrennt nach ihrer Ursache erfasst und mittels logarithmischer Extrapolation auf die geplante Lebensdauer übertragen. Die Untersuchungen wurden an M20-Schraubengarnituren mit verschiedenen Verbindungsmitteln/Anziehverfahren sowie Klemmlängenverhältnissen und Oberflächenausführungen der Prüfteile durchgeführt.
Die erzielten Versuchsergebnisse ermöglichten eine kritische Bewertung derzeitig existierender Regelungen. In Anbetracht der experimentell ermittelten Systemreserven und der Vorspannkraftverluste ergibt sich, dass die Verwendung von direkten Kraftanzeigern aufgrund von hohen Vorspannkraftverlusten eher in den Verbindungen, die aus Gebrauchstauglichkeitsgründen vorgespannt werden, zu empfehlen ist. Die betrieblichen Vorspannkraftverluste liegen in den meisten untersuchten Verbindungen der Kategorie E mit einem Klemmlängenverhältnis (lk/d) von ungefähr 5 in einem Bereich bis 10 % und erfüllen somit den in EN 1090-2 berücksichtigten möglichen Vorspannkraftabfall von nicht
mehr als 10 % (keine Berücksichtigung von Schließringbolzen). Die Verbindungen mit lk/d von ungefähr 2 weisen unabhängig von der Kategorie der Verbindung und der Oberflächenausführung Vorspannkraftverluste auf, die mehr als 10 % betragen. Hierbei führen auch vergleichsweise geringe Beschichtungsdicken im Trennfugenbereich zu Vorspannkraftverlusten, die über die Lebensdauer des Bauwerks ca. 20 % betragen. Das kombinierte Vorspannverfahren erweist sich als das einzige Anziehverfahren, welches ausreichende Systemreserven für einen Vorspannkraftabfall auch infolge teilweiser Beschichtung der Verbindungen besitzt, ohne dass die über die Lebensdauer des Bauwerks verbleibende Vorspannkraft den Bemessungswert unterschreitet. Mit den vorliegenden Versuchsergebnissen wurde eine grundlegende Ausgangssituation für die zukünftige Berücksichtigung der Vorspannkraftverluste in der Bemessung und Auslegung geschaffen.
FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.
Veröffentlichung:
April 2019
Forschungsvorhaben P 1091 / IGF-Nr. 18711 BG: Entwicklung eines Konzeptes zur Erfassung von Vorspannkraftverlusten in vorgespannten Schraubverbindungen unter Ermüdungsbeanspruchung
Institut für Metall- und Leichtbau, Universität Duisburg-Essen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner
Lukas Makevicius M.Sc.
Fraunhofer-Einrichtung für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel
Prof. Dr.-Ing. Ralf Glienke
Dipl.-Ing. Maik Dörre
Verantwortlich für die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.
Dr. Gregor Nüsse M.Sc.
