Herstellung und Einsatz schergeschnittener Löcher in mechanisch gefügten Verbindungen unter Verwendung höherfester Stähle im Stahlbau bei zyklischen Beanspruchungen

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Kernthesen

  • Eine Qualifizierung des Scherschneidens durch Definition der Fertigungsparameter für Löcher in höherfesten Stählen ist möglich.
  • Für höherfeste Stähle führt das qualifizierte Scherschneiden zu keinem negativen Einfluss auf das Tragverhalten und den Ermüdungswiderstand des gelochten Bauteils im Vergleich zu Bauteilen mit gebohrten Löchern.
  • Das Scherschneiden ist qualifiziert für Scher-/Lochleibungs- und gleitfest vorgespannte Verbindungen in Bauteilen aus höherfesten Stählen auch unter zyklischer Lasteinwirkung.

Zusammenfassung

Sowohl im Stahl- als auch Stahlleichtbau werden vielerorts mechanische Fügeverbindungen mit Schrauben, Vollnieten und Schließringbolzen eingesetzt. Die Notwendigkeit der Lochherstellung ist allen o. g. Fügetechnologien gemein.

Das Scherschneiden, welches sich zur Vorlocheinbringung nach DIN EN 1090-2 und -4 zwar eignet, wird jedoch durch die darin formulierten Regelungen für einen Großteil der Anwendungen mit mechanisch gefügten Verbindungen ausgeschlossen. Die Eignung ist gegebenenfalls anhand von Einzelfalluntersuchungen nachzuweisen. Die wirtschaftlichen Vorteile dieses Verfahrens bleiben damit oftmals ungenutzt.

Diese normative Limitierung sollte in Anerkennung neuer und qualifizierter Scherschneidmethoden überdacht werden. Durch die Anwendung neuartiger Scherschneidmethoden mit optimierten Schnittparametern sowie modifizierten Stempel- und Matrizengeometrien wird auf die Maximierung des Glattschnittanteils an der Lochwand abgezielt.

Damit konnten bereits für die normalfesten Stähle die Nachteile hinsichtlich des Sprödbruch- und Ermüdungsverhaltens gegenüber gebohrten Löchern ausgeglichen werden. Dies führte nicht zuletzt auch zu einer Ertüchtigung des Scherschneidens in ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen.

An dieser Stelle soll für die Anwendung mit höherfesten Stählen angeknüpft werden, um auch fortan für diese einen qualifizierten Scherschneidprozess bereitzustellen, der durch die entsprechenden Normen zur Ausführung zugelassen ist.


Darstellung des Nutzens für KMU

Die Herstellung von Komponenten für stahlbauliche Konstruktionen steht nach wie vor unter einem stetigen Kostendruck. Ebenso steht die „Nachhaltigkeit" im öffentlichen Fokus, wodurch eine ökologisch sinnvolle Fertigung von Bauteilen angestrebt wird, was den Transport mit einbezieht. Insbesondere vor dem Hintergrund der aufwändigen Vor- und Nachbehandlungsarbeiten für thermischer Fügeverfahren, wie bspw. einer Nahtvorbereitung und Korrosionsschutzes verschieben den Fokus zu mechanischen Fügeverfahren.

Diese verlangt jedoch oftmals die Einbringung von Löchern für mechanische Verbindungselemente. Das Forschungsvorhaben hat somit zum Ziel umfassende Erkenntnisse zur Erweiterung der Bemessungs- und Ausführungsregeln beim Einsatz des Scherschneidens von höherfesten Stählen im Bereich des Stahlbaus zu liefern. Mit der Qualifizierung des Scherschneidens wird für KMU ein erheblicher Beitrag zur Senkung der Produktionskosten und Verkürzung der Prozesszeiten bei der Bauteilfertigung geleistet.

Daneben können Ingenieurbüros die neuen Bemessungs- und Ausführungsregeln zur kostenoptimierten Planung von Stahlbaukonstruktionen heranziehen. Somit können durch die im Rahmen des Vorhabens gewonnenen Erkenntnisse teuren Einzelfalluntersuchungen reduziert bzw. langfristig durch entsprechende Überführung in die Eurocode 3 Normung gänzlich überflüssig machen. Die gewonnenen Ergebnisse können weiterführend auch auf die Bereiche des Nutz-, Trailer- und Schienenfahrzeugbau übertragen werden, in denen ebenfalls zumeist KMU in Form von Ingenieurbüros, Zulieferbetrieben usw. vertreten sind.


Projekt

FOSTA P 1594, IGF 22108 BR - Laufzeit 01.02.2022 - 31.07.2024

Referent: M.Sc. Florian Kalkowsky, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik  Rostock


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