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Einfluss von Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit großer Schrauben

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[Quelle: https://publikationsserver.tu-braunschweig.de]

Schrauben als Verbindungsmittel unterliegen der Alterung. Zyklische Dauerbelastung kann zum Ermüdungsversagen im Gewinde führen. Das Herstellungsverfahren (gerollt, geschnitten, vergütet, verzinkt) beeinflusst die Ermüdungsfestigkeit. Beim Aufrollen des Gewindes werden im Gewindegrund Druckeigenspannungen eingebracht, der Werkstoff wird lokal stark kaltverfestigt. Die vorliegende Arbeit untersucht am Bauteil ‚schlussgerollte HV-Schraube‘ umformtechnisch induzierte Eigenspannungen aus dem Gewindeherstellungsprozess, ebenso Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit. Mit den Daten und Erkenntnissen wird ein örtliches Simulationskonzept formuliert. Erstmals wird eine umfassende Datenbasis von Wöhlerlinien an großen schlussgerollten und schlussgerollt, feuerverzinkten M 36 und M 48 HV-Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 erstellt: Sind schlussgerollte HV-Schrauben feuerverzinkt, nimmt die Lebensdauer deutlich ab. Sie liegt jedoch über der Lebensdauer von schlussvergüteten, feuerverzinkten Schrauben. Die eigenen Versuche zeigen, dass die VDI 2230 den Herstellungseinfluss für große HV-Schrauben wiedergeben kann. Die Lebensdauerabminderung von 20 Prozent für eine Feuerverzinkung, die bisher nur an schlussvergüteten Schrauben untersucht worden ist, kann auch auf große schlussgerollte HV-Schrauben übertragen werden. Das Kerbdetail 50 der DIN-EN-1993-1-9 ist eine konservative Einstufung des Ermüdungsproblems. An unbelasteten und zyklisch belasteten schlussvergüteten, feuerverzinkten M 24 HV-Schrauben sowie an schlussgerollten, feuerverzinkten M 36 HV Schrauben werden mit Neutronendiffraktometrie Eigenspannungstiefenverläufe bestimmt. Bei Messungen an schlussvergüteten HV-Schrauben nach zyklischer Belastung kann eine zyklische Entfestigung des Werkstoffes gezeigt werden. Bei schlussvergüteten HV-Schrauben wird das Maximum der niedrigen Druckeigenspannungen an der Oberfläche erreicht. Bei schlussgerollten HV-Schrauben liegt das Druckeigenspannungsmaximum unterhalb der Oberfläche. Die Simulation des Umformprozesses erreicht eine gute Wiedergabe der Gewindegeometrie. Der Eigenspannungsverlauf entspricht qualitativ den gemessenen Verläufen. Das Materialmodell nach Chaboche überschätzt die plastische Vergleichsdehnung im Gewindegrund. Die Studie zur Berechnung schlussgerollter HV-Schrauben wird nach dem Kerbdehnungskonzept durchgeführt. Die Modellierungsprobleme werden analysiert, die Anforderungen für eine bessere Berücksichtigung von Eigenspannungen formuliert.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Heinz Meichsner, Thomas Jahn
Mauerwerksinstandsetzung mit Spiralankern
Grundlagen, Berechnung, Konstruktion.
2014, 158 S., zahlr. farb. Abb., Tab. u. Diagr., Hardcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Zur Instandsetzung von gerissenem Mauerwerk werden heute häufig Spiralanker aus nicht rostendem Stahl verwendet. Ihr Einsatz ist bisher nicht in Normen geregelt und wird nach konstruktiven Gesichtspunkten und praktischen Erfahrungen ausgeführt. In diesem Buch wird erstmalig eine systematische Bemessungsmethodik für den Einsatz von Spiralankern als rissbreitenbeschränkende Mauerwerksbewehrung vorgestellt. Anhand der mechanischen Grundlagen wird ein Bemessungsverfahren abgeleitet und in Beispielrechnungen erläutert. Für die praktische Handhabung werden Zahlenwerte aus Versuchen und aus der Literatur zusammengestellt, die für die Bemessung der Spiralanker unabdingbar sind. Zahlreiche konstruktive Hinweise, angefangen bei der Mauerwerksschwächung durch das Schlitzen bis hin zur Verlegeart der Spiralanker bei Einzel- oder Gruppenrissen, machen den Band zu einem praxisorientierten Werkzeug bei der Instandsetzung älterer und neuerer Gebäude.

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Hochproduktives Laser-Auftragschweißen mit Pulver und Draht
Ergebnisbericht zum Verbundvorhabe
2013, 33 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer Verlag

 

 

Additive lasertechnische Bearbeitungsverfahren sind heute aus modernen Fertigungs- und Instandsetzungsprozessen von hochwertigen Bauteilen und Werkzeugen nicht mehr wegzudenken. Die Schichtqualität sowie die außerordentliche Präzision des Werkstoffauftrags geben den Ausschlag für den Lasereinsatz in der industriellen Produktion. Die in dieser Broschüre vorgestellten hybriden Verfahrensvarianten ermöglichen zudem vorteilhaft eine gesteigerte Produktivität und Effizienz vor allem für Großflächenbeschichtungen.

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Forschungsberichte

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Jan Reimann, Jörg Hildebrand, Jean-Pierre Bergmann
3D-Weld - 3D gedruckte Knotenpunkte aus Stahllegierungen für bionische Tragstrukturen
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3208
2020, 169 S., 100 Abb. u. 18 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Filigrane, materialsparende, festigkeits- und steifigkeitsangepasste Tragstrukturen aus Metall gewinnen zunehmend an Bedeutung. Durch solche Strukturen ist es nicht nur möglich individuelle Ästhetik in Bauwerke einfließen zu lassen oder ikonenhafte architektonische Meisterwerke zu kreieren, sondern auch beanspruchungsoptimierte bautechnische Lösungen in Anlehnung an die Natur (Bionik) zu generieren. Die Motivation eine leichte Knotenstruktur mit maximaler Tragfähigkeit herzustellen ist häufig mit dem Wunsch eines minimalen und angepassten Materialeinsatz sowie geringen Herstellungskosten gepaart. Die Untersuchung erfolgt sowohl an numerischen als auch an realen Modellen. Anhand der numerischen, parametrischen Modelle können eine Vielzahl unterschiedlicher Modelle differierender Systemspezifikationen untersucht und hinsichtlich Tragfähigkeit der Knoten aus Stahl bewertet werden. Die Verifikation und Validierung der numerisch ermittelten Ergebnisse erfolgt über begleitende experimentelle Belastungstests an räumlichen Modellen. Anhand eines Demonstrators konnte gezeigt werden, dass die Abbildung des Herstellungsprozesses unter Verwendung von gewissen Vereinfachungen mittels Schweißstruktursimulation möglich ist. Die experimentell ermittelten Materialkennwerte für die Schweißzusatzwerkstoffe ermöglichen es, die Tragwerkknoten beanspruchungsgerecht zu dimensionieren. Mit Hilfe von Demonstratoren konnte die Herstellbarkeit topologieoptimierter Tragwerkknotens mittels WAAM gezeigt werden.

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Ludger Lohaus, Tobias Schack
Grenzen der Anwendbarkeit von Drahtankern für die Verankerung der Vormauerschale an einer Hintermauerschale aus Kalksandhohlblocksteinen oder Hohlblöcken aus Beton oder Leichtbeton
Abschlussbericht.
Bauforschung, Band T 3375
2020, 64 S., 43 Abb. u. 19 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In Deutschland werden bei zweischaligem Mauerwerk zur Verankerung der Vormauerschale an der Hintermauerschale, sofern diese im Dickbettverfahren mit Normalmauermörtel (Fugendicke ca. 12 mm) hergestellt wird, zumeist Drahtanker mit einem Durchmesser von 4 mm verwendet. Bei Kalksand-Vollsteinen und Vollblöcken aus Beton oder Leichtbeton werden in Auszugversuchen regelmäßig Auszugwerte > 1,0 kN bei maximal 1 mm Schlupf erreicht. Geringere Auszugswerte sind dagegen bei Kalksand-Lochsteinen sowie Kalksand-Hohlblocksteinen und bei Hohlblöcken aus Beton oder Leichtbeton festzustellen, je nachdem, wie weit aus der darüber versetzten Steinschicht Löcher über den eingemörtelten Ankern liegen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, durch entsprechende Versuchsserien die Grenzen der Anwendbarkeit von Drahtankern insbesondere hinsichtlich Lochung und Steinart festzustellen und einen Vorschlag für eine Korrektur bei den Anwendungsgrenzen der Bauart in DIN EN 1996-1-1/NA zu erarbeiten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden gängige Lochanordnungen in Mauersteinen im Spiegelbild zur Normungssituation analysiert sowie vergleichende Versuche zur Zug- und Drucktragfähigkeit von Drahtankern in Abhängigkeit der Steinart, der Lochung und der Positionierung zum Loch durchgeführt.

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Jörg Lange, Alexander Engel
Tragfähigkeit von direkt befestigten Sandwichelementen unter zyklischer Beanspruchung. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3365
2019, 214 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Abminderung der Tragfähigkeit von direkten Befestigungen unter zyklischer Beanspruchung anhand eines umfangreichen Versuchsprogramms zu bestimmen und ggf. gegenüber der bisherigen Zulassungspraxis zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden Durchknöpfversuche gemäß prEN 14509-2 an kleinformatigen Sandwichelementen verschiedener Hersteller, Kernmaterialien, Elementhöhen und Deckblechdicken sowie Schrauben verschiedener Hersteller am Mittel- und Endauflager durchgeführt und ausgewertet. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse des Forschungsvorhabens, dass die zyklische Tragfähigkeit direkt befestigter Sandwichelemente von einer Vielzahl an Faktoren abhängt, die nicht ausreichend durch Versuche an Bügelproben abgebildet werden können. Die ermittelten zyklischen Abminderungsfaktoren unterscheiden sich hinsichtlich des verwendeten Kernmaterials und der Lage im Bauteil. Die Angabe eines pauschalen Abminderungsfaktors ist aufgrund der vielzähligen Einflüsse nicht zweckmäßig und unwirtschaftlich. Eine Differenzierung des Faktors wird empfohlen.

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Matthias Pahn, Arnaud Pavis d'Escurac
Tragverhalten von schlanken Sandwichelementen mit GFK-Verbindungsmitteln unter Vertikallast
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3009
2017, 99 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei der Bemessung von Sandwichelementen unter vertikaler Last kann der stabilisierende Einfluss der Vorsatzschale einschließlich der Verbindungsmittel und der Kernschicht auf das Tragverhalten der Tragschale nicht berücksichtigt werden, weil entsprechende Bemessungsmodelle nicht vorliegen. Eine Berücksichtigung der tatsächlichen Biegesteifigkeit ist aber gerade bei schlanken und damit knickgefährdeten Sandwichwänden äußerst sinnvoll. Deshalb untersuchte das Projekt den Einfluss von Vorsatzschale und Kernschicht auf die Stabilität von Sandwichwänden. Als Verbindungsmittel zwischen der Vorsatzschale und der Tragschale wurden sowohl horizontale und diagonale Stäbe aus glasfaserverstärktem Kunststoff als auch Gitterträger aus Stahl verwendet. Es wurden aussichtsreiche Ansätze für eine wirtschaftlichere Bemessung von schlanken Sandwichfassadenbauteilen erarbeitet.

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Thomas Ackermann
Ermittlung von Anforderungen zur Prüfung der Dauerhaftigkeit von Klebeverbindungen bei Anschlüssen und Verbindungen der Luftdichtheitsschicht. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3324
2015, 69 S., 22 Abb. u. 15 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Zuge der Energieeinsparung bei Gebäuden und zur Vermeidung von Bauschäden durch Tauwasser in Bauteilen soll die Gebäudehülle dauerhaft luftdicht sein, ein Anspruch, der während der gesamten Nutzungsdauer eines Gebäudes oder Bauteils gelten muss. Diese Maßgabe bezieht sich jedoch nicht nur auf Bauteile und Bauteilschichten, die Luftdichtheit gewährleisten, sondern auch auf Klebemittel als Verbindung verschiedener Elemente, wie z. B. den Bahnen der Dampfsperre. Die Lasten, die solche Klebeverbindungen beanspruchen, sind im Wesentlichen auf die Einwirkung durch Wind zurückzuführen und stellen keine gleichbleibende, sondern eine in ihrer Stärke ständig schwankende Kraft dar. Es war daher notwendig, zur Prüfung der Dauerhaftigkeit von Klebemitteln ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe die Wirkung alternierender Lasten auf Verbindungsmittel in der luftdichten Hülle von Gebäuden simuliert werden kann. Die Kräfte, die bei einer solchen Prüfung anzusetzen sind, wurden aus Festlegungen in den baurechtlich eingeführten Normen DIN EN 1990:2012-08, DIN EN 1991-1-4:2012-08 und DIN EN 1991-1-4/NA:2012-08 entwickelt und stellen mittlere und maximale Lasten aus Wind während der prognostizierten Nutzungsdauer eines Bauteils oder Gebäudes von 50 Jahren dar. Die erforderlichen Belastungswechsel und Zyklen zur Simulation des Ermüdungsversagens wurden einer britischen Studie entnommen und um die Lasteinwirkung aus Böen ergänzt. Der Alterung der verwendeten Materialien während der geplanten Nutzungszeit von 50 Jahren wird durch die Lagerung der Probekörper während einer Dauer von 120 Tagen bei einer Temperatur von theta = 65 Grad C und einer relativen Feuchte von phi = 80 Prozent simuliert. Mithilfe einer Prüfapparatur, die speziell für die Messung nach dem Wechsellastverfahren entwickelt wurde, kann das Ermüdungsverhalten der zu untersuchenden Klebemittel während der vorgesehenen Nutzungsdauer und deren Widerstandsfähigkeit bei der Einwirkung von extremen Böen getestet werden. Aufgrund dieser Vorgehensweise lässt sich unte

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Zeitschriftenartikel

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Ummenhofer, Thomas; Boretzki, Jakob; Albiez, Matthias
Hybrid connection technologies for hollow sections in steel construction
Steel Construction, 2022

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Klattenhoff, Henning; Wemmer, Andreas
Herausforderung Holzhochhausplanung am Beispiel HAUT Amsterdam
Konstruktiver Ingenieurbau KI, 2022

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Sippel, Thomas; Hofmann, Jan; Maci, Nilde
Tragverhalten von Stützenschuhverbindungen. Teil 2: Untersuchungen zum Verformungsverhalten mit FE-Berechnungen
Konstruktiver Ingenieurbau KI, 2022

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Sippel, Thomas; Hofmann, Jan; Maci, Nilde
Tragverhalten von Stützenschuhverbindungen. Teil 1: Experimentelle Untersuchungen
Konstruktiver Ingenieurbau KI, 2022

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Kövesdi, Balázs; Dunai, László; Li, Zheng; Pasternak, Hartmut; Oly, René; Marai, Péter
Teilsteifen an geschweißten Rahmenecken unter Berücksichtigung der Eigenspannungen
Bauingenieur, 2022

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