Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zyklische Bemessung von Zugstäben mit Endgewinden unter Berücksichtigung des Größeneinflusses und des Herstellungsverfahrens

Infolge einer zyklischen Beanspruchung sind für Zugstangen, insbesondere für das Kerbdetail des Gewindes, Ermüdungsnachweise zu führen. Üblicherweise erfolgt dies im Stahlbau nach dem Nennspannungskonzept im Eurocode 3.

Für Zugstangen mit Endgewinden ist die Normungssituation zurzeit unklar. Für Zugglieder gibt es die DIN EN 1993-1-11. Für Zugstäbe, wird der Kerbfall 105 ohne Berücksichtigung eines Größeneinflusses angesetzt. Zusätzlich ist immer ein Ermüdungsversuch erforderlich, bei dem die Dauerfestigkeit nachgewiesen werden muss. Diese Untersuchungen haben den Charakter von kostenintensiven Abnahmeversuchen.

Die Alternative ist in DIN EN 1993-1-9 gegeben und folgt im Prinzip den Regeln für Schrauben. Sie führt zum wesentlich ungünstigeren Kerbfall 50. Außerdem ist hier eine Berücksichtigung des Größeneinflusses vorgesehen. Es stellt sich die Frage: Was ist richtig?

Im Rahmen des Forschungsprojekts wird der Größeneinfluss bis M 120, der Einfluss des Gewindeherstellungsverfahrens (gerollt oder geschnitten), sowie der Einfluss einer Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit untersucht. Es werden systematisch klassische Wöhlerlinien im Zeitfestigkeitsbereich ermittelt.

Mit numerischen Methoden werden Kerbspannungen für die unterschiedlichen Gewindedurchmesser und mithilfe von optischen Dehnfeldmessungen verifiziert. Mit diesem FE-Modell werden umfangreiche Parameterstudien zu Größeneinfluss, Herstellungstoleranzen und Imperfektionen durchgeführt.

Für ein einzelnes Unternehmen sind die genannten Problemstellungen nur mit großem finanziellem Aufwand und hohem personellem Einsatz zu untersuchen. Besonders kleine und mittlere Unternehmen oder Ingenieurbüros haben keine ausreichenden Kapazitäten, um solche systematischen und umfassenden Forschungsarbeiten durchzuführen. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden eine eindeutige Kerbfallzuordnung ermöglichen. Die Diskrepanz in der Normung soll aufgelöst und für KMUs wird so Planungssicherheit hergestellt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Vorhaben „Zyklische Bemessung von Zugstäben mit Endgewinden“ sind umfangreiche Untersuchungen an Zugstäben verschiedener Herstellungsarten durchgeführt worden. Dabei wurden die Durchmesser M16, M48, M68 und M100 untersucht. Die Ergebnisse zeigen erhöhte Ermüdungsfestigkeiten für gerollte Zugstäbe. Für Zugstäbe mit geschnittenen Gewinden konnte der Kerbfall 50 mit Größeneffekt für alle untersuchten, auch die großen Durchmesser, bestätigt werden. Auf Basis der Untersuchungen ergibt sich der folgende Vorschlag der Einordnung von Zugstäben mit Endgewinden aus Baustahl mit gerolltem Gewinde mit Größeneffekt nach Detail 14 (DIN EN 1993-1-9):

- Kerbfall 80 für gerollte blanke Zugstäbe

- Kerbfall 71 für gerollte feuerverzinkte Zugstäbe

Der zuvor genannte Vorschlag für die Anwendung des Kerbfalls 80 für gerollte Gewinde beruht zum Teil auf Versuchen, die im Anschlussbereich versagten. Um die erhöhte Ermüdungsfestigkeit gerollter Zugstäbe in der Praxis nutzen zu können, müssen Anschlüsse entwickelt werden, die nicht vorzeitig versagen. Mit diesen verstärkten Anschlüssen sind die Gewindestangen erneut zu testen, umso das Potential tatsächlich zu erschließen. Dabei ist auch zu klären, wie die Feuerverzinkung auf Stäbe mit gerollten Gewinden wirkt und ob ggf. ein Gewinde mit umgedrehter Herstellungsreihenfolge Vorteile hat.

Durch Mikroschliffe wurden die Gewindegeometrien kontrolliert. Dabei ergaben sich Abweichungen beim Nachschneiden verzinkter Gewinde, sowie bei einer Versuchsreihe eine deutliche Unterschreitung des Normradius in der Gewindewurzel.

An einem validierten axialsymmetrischen Modell der Zugstabverbindung sind die Bruchlebensdauern berechnet worden. Eine Unterschreitung des Ausrundungsradius in der Gewindewurzel zeigt eine deutliche Absenkung der numerisch bestimmten Ermüdungsfestigkeit. Für Gewindelängen des Anschlussmittels kleiner als

dem 1,2-fachen Gewindedurchmessers ergibt sich in der numerischen Untersuchung eine

niedrigere rechnerische Lebensdauer.