P 1620 - Gleitfest vorgespannte Stahlbau-Verbindungen in neuen Dimensionen - Der Einsatz von Friction Shims zur signifikanten Erhöhung der Haftreibungszahl

Zur Optimierung von GV-Verbindungen und zur Reduktion des damit verbundenen Arbeitsaufwandes haben sich im Maschinenbau reibwerterhöhende Scheiben (ReS) als effizient erwiesen, um gleichzeitig eine Erhöhung der Haftreibungszahlen zu erzielen. ReS sind Scheiben aus unterschiedlichem Trägersubstrat, in welches reibwerterhöhende Partikel eingebettet sind, die in die Oberflächen der zu fügenden Bauteile einbinden, um die Tragfähigkeit der vorgespannten Verbindung zu erhöhen. Bisher lagen keine Erkenntnisse zur Übertragbarkeit dieser Verbindungstechnik auf stahlbautypische Konstruktionen mit erhöhten Korrosionsschutzanfordernungen und bauteilspezifischen Imperfektionen vor. Zudem war keine Anwendbarkeit der Bemessungsvorgaben nach DIN EN 1993-1-8 und DIN EN 1993-1-9 sowie der Ausführungsvorgaben nach DIN EN 1090-2 gegeben. Daher wurden im vorliegenden Forschungsvorhaben erstmals Haftreibungszahlen und Reibflächenklassen für charakterisierte Oberflächen- und ReS-Konfigurationen im Standard-Prüfverfahren nach DIN EN 1090-2, Anhang G als Bemessungsgröße in DIN EN 1993-1-8 bestimmt. Für Oberflächen mit einer Grundbeschichtung nach ZTV-ING (GB-EP-Zn) konnte Reibflächenklasse C (𝜇 = 0,30) für verschiedene ReS-Konfigurationen, für verzinkte Oberflächen unter Variation der Verzinkungsparameter (Verzinkungstemperatur und Siliziumgehalt) sogar Reibflächenklasse A (𝜇 = 0,50) zugeordnet werden. Dabei werden mit dem Prüfprogramm nach DIN EN 1090-2, Anhang G Kriechverformungen der Oberflächen berücksichtigt, ein Kriechverhalten der ReS konnte ausgeschlossen werden. Da gestrahlte Oberflächen bereits in die höchste Reibflächenklasse (A mit 𝜇 = 0,50) eingeordnet werden können, sind Verbindungen mit ReS trotz Tragfähigkeitssteigerung (bei Abstimmung der ReS-Konfiguration auf die Oberflächeneigenschaften) derzeit nicht sinnvoll einzusetzen. Die Einführung einer höheren Reibflächenklasse wäre denkbar. Zur Anwendbarkeit von vorgespannten Verbindungen mit ReS bei dynamisch beanspruchten Konstruktionen wurde die Ermüdungsfestigkeit nach DIN EN 1993-1-9 für verschiedene Oberflächen- und ReS-Kofnigurationen ermittelt. Die Kerbfallkategorien nach DIN EN 1993-1-9 für Verbindungen mit hochfest vorgespannten Schrauben und ReS konnten bestätigt werden, eine Oberflächenzerrüttung der Reibflächen wurde ausgeschlossen. Infolge der zyklischen Belastung eintretende Kriechverformungen sind durch Begrenzung der maximalen Haftreibungszahl auf den Nennwert der Haftreibungszahl zu beschränken. Zudem wurde mit Großteilversuchen ein Einfluss von Bauteilimperfektionen auf Spannungsumlagerungen innerhalb der Verbindung festgestellt, was mit FESimulationen erweitert untersucht wurde. Hinsichtlich des Einflusses von Imperfektionen auf das Tragverhalten vorgespannter Verbindungen wird weiterer Forschungsbedarf gesehen. Abschließend wurden basierend auf den experimentellen und numerischen Untersuchungen Bemessungsvorgaben erarbeitet, die eine Bemessung von Verbindungen mit ReS nach DIN EN 1993-1-8 und DIN EN 1993-1-9 ermöglichen. Ein in Abstimmung mit den Herstellern von ReS und ausführenden Stahlbauunternehmen erstelltes Ausführungskonzept gewährleistet zukünftig eine sichere und anwenderfreundliche Ausführung von Verbindungen mit ReS.