Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung normativer Grundlagen zum Tragverhalten von zugbeanspruchten Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem austenitischen und austenitischen-ferritischen Stahl M12 bis M36

Aktuelle Regelungen zur Bemessung von zugbeanspruchten Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem Stahl nach DIN EN 1993-1-4 basieren im Wesentlichen auf den Regelungen für Verbindungen aus Kohlenstoffstahl nach DIN EN 1993-1-8. Die wenigen bisher auswertbaren Studien zu diesem Thema zeigen die Tendenz eines abweichenden Tragverhaltens von nichtrostenden Schrauben zu Kohlenstoffschrauben. Des Weiteren weist DIN EN 1993-1-4 bzgl. der Abschertragfähigkeit an DIN EN 1993-1-8 angelehnte Regelungen aus, die im Widerspruch zur Bemessung gemäß DIN EN 1993-1-4/NA stehen, was entweder zu einer deutlichen Unter- oder Überdimensionierung führt. Welche Regelung das tatsächliche Tragverhalten abbildet, ist unklar, sodass dies eine dringend zu klärende Frage darstellt, um die normativen Regelungen abschießend zu entwickeln.

Das Forschungsvorhaben wird experimentell wie numerisch durch eine systematische Untersuchung des Scher-/Zugtragverhaltens von Schrauben aus nichtrostendem Stahl sowie des Lochleibungstragverhaltens von nichtrostenden Stahlblechen eine grundlegende Datenbasis zur Ermittlung von Kennwerten zur Entwicklung von Bemessungskonzepten für das Scher-/Zugtragverhalten und deren Interaktion sowie für das Lochleibungstragverhalten von geschraubten Verbindungen aus nichtrostendem Stahl schaffen.

Ausgehend von den Forschungsergebnissen werden Empfehlungen für die Praxis erarbeitet sowie Grundlagen für normative Regelungen zur Implementierung in die Mitte 2018 beginnende zweijährige Phase der Revision der EN 1993-1-4 aufgestellt. Da die Forschungsstellenleiterin aktiv an der Überarbeitung der EN 1993-1-4 mitwirkt, wird eine große Chance gesehen, die Ergebnisse in diese direkt einfließen zu lassen. Von den Ergebnissen werden insbesondere Ingenieurbüros, Stahlbaufirmen, Anlagenhersteller, Schraubenhersteller und -händler profitieren, die üblicherweise als KMUs eingestuft sind und Forschungstätigkeiten nicht eigenständig durchführen können.

Ergebniszusammenfassung:

Die aktuellen normativen Regelungen zur Bemessung von zugbeanspruchten Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem Stahl, den sogenannten Kategorie A- und Kategorie D-Verbindungen nach DIN EN 1993-1-8, basieren im Wesentlichen auf den Regelungen für Verbindungen aus Kohlenstoffstahl. Welche Regelung das tatsächliche Tragverhalten nichtrostender Schrauben abbildet, war allerdings völlig unklar und daher Gegenstand des Forschungsvorhabens.

Es konnte aufgezeigt werden, dass wirtschaftlichere Bemessungen der Zug-, Abscher- und kombinierten Zug-Abscher-Tragfähigkeit nichtrostender Schrauben möglich sind. Eine Erhöhung der Zugtragfähigkeit Ft,Rd nichtrostender Schrauben mittels k2 = 1,0 ist statistisch abgesichert und folgt damit der ohnehin bereits bestehenden normativen Anforderung der DIN EN ISO 3506-1 hinsichtlich der Mindestbruchkraft Fmf nichtrostender Schrauben und des Bemessungsansatzes des Australian Standard AS 4100. Basierend auf den experimentellen Untersuchungen zur Abschertragfähigkeit Fv,Rd wurden neue Scherfestigkeitskoeffizienten für die Bemessung von nicht vorgespannten Schraubverbindungen aus nichtrostendem austenitischem und Duplex-Stahl für FK 50 bis 100 vorgeschlagen. Es konnte ferner gezeigt werden, dass für alle vorgeschlagenen Scherfestigkeitskoeffizienten die ermittelten Teilsicherheitsbeiwerte yM* für alle Untergruppen unter yM2 = 1,25 liegen. Im Falle der kombinierten Zug-Abscher-Beanspruchung nichtrostender Schrauben wurden unterschiedliche Interaktionsgleichungen bewertet und eigene, wirtschaftlichere Interaktionsgleichungen entwickelt. Die bilineare Interaktion nach DIN EN 1993-1-4 liegt für beide Belastungsfälle auf der sicheren, aber auch deutlich unwirtschaftlichen Seite.

Eine wirtschaftlichere Bemessung der Lochleibungstragfähigkeit Fb,Rd von Blechen aus nichtrostendem Stahl ist durch den Ansatz der Bemessungshilfe für nichtrostende Stähle im Bauwesen (4. Auflage) bei gleichzeitig ausreichend hohen Sicherheitsreserven möglich.