Vorgespannte geschraubte Verbindungen aus nichtrostendem Stahl unter Ermüdungsbeanspruchung im Bauwesen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Natalie Stranghöner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521501197

Im Bauwesen werden Konstruktionen und geschraubte Verbindungen aus nichtrostendem Stahl im Stahlbau u. a. wegen ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit in aggressiver Umgebung vermehrt auch z. B. in Brückenkonstruktionen, Fahrbahnübergängen und Küstenschutzanlagen als tragende Bauteile eingesetzt. Wurde in der Vergangenheit hauptsächlich nichtrostender austenitischer Stahl verwendet, so kommt in den letzten Jahren auch zunehmend nichtrostender austenitisch-ferritischer (Duplex-)Stahl zum Einsatz. Vorgespannte geschraubte Verbindungen aus nichtrostendem Stahl in ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen gelten bisher allerdings aufgrund von Unkenntnis der zu erwartenden Vorspannkraftverluste infolge des viskoplastischen Verformungsverhaltens der Komponenten sowie Befürchtungen hinsichtlich Kaltverschweissungseffekten als nicht ausführbar. Aus diesen Gründen fokussiert sich das Vorhaben nicht nur auf die Ermüdungsbeanspruchbarkeit, sondern berücksichtigt auch das prinzipielle Anziehverhalten der Schraubengarnituren einschließlich Anziehparameter, um frühzeitiges Versagen der Schrauben zu verhindern. Als weitere Aspekte werden das viskoplastische Verformungsverhalten, die Grenzflächenpressung des Klemmpaketes zur Vermeidung von plastischen Verformungen und damit letztendlich zu hoher Vorspannkraftverluste betrachtet. Das zentrale Forschungsziel dieses Antrags ist damit die Entwicklung von Konzepten zur Beschreibung und Erfassung des belastungs- und strukturabhängigen nichtlinearen Verhaltens von vorgespannten geschraubten Verbindungen aus Metallbauschraubengarnituren aus nichtrostendem austenitischen und Duplex Stahl im typischen Durchmesserbereich M12 bis M36 unter Ermüdungsbeanspruchung für den Einsatz im Bauwesen. Letztendlich gilt es, diese Erkenntnisse in Randbedingungen für einen optimierten Schraubengarniturentyp aus nichtrostendem Stahl für den Einsatz im Bauwesen zu transferieren. Zum Erreichen der Forschungsziele ist ein umfangreiches Versuchsprogramm zu den genannten Aspekten vorgesehen, das durch numerische FE-Parameterstudien mit an den Versuchen validierten FE-Modellen erweitert werden soll. Abschließend sollen ein analytisches Modell zur Beschreibung des viskoplastischen Verformungsverhalten entwickelt werden, Grenzflächenpressungen für Klemmpakete aus nichtrostendem austenitischen und Duplex-Stahl für die Anwendung im Bauwesen abgeleitet werden, das Anziehverhalten von vorgespannten geschraubten Verbindungen als Basis zur Entwicklung von geeigneten Kriterien zur Beschreibung der Anforderungen an die Mindestduktilität, erreichbare Mindestvorspannkraft und Schmierung bestimmt und Anziehparameter definiert, die Ermüdungsfestigkeit von Schrauben aus nichtrostende Stahl unter Zug- und Abscherbeanspruchung bestimmt werden und Randbedingungen für einen optimierten Schraubengarniturentyp für vorspannbare Schraubengarnituren auf Basis der erzielten Ergebnisse zum Einsatz im Bauwesen entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen