Gleitfeste Verbindung mindestens eines ersten Konstruktionsteiles mit einem zweiten Konstruktionsteil mittels hochfester, vorgespannter Schrauben
Die Erfindung betrifft eine gleitfeste Verbindung mindestens eines ersten Konstruktionsteiles mit einem zweiten Konstruktionsteil mittels hochfester, vorgespannter Schrauben und ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung.
Solche Verbindungen werden in der Fachliteratur (siehe z. B. DIN 6914-6918, Sechskantschrauben mit grossen Schlüsselweiten für HV-Verbindungen in Stahlkonstruktionen ) als HV-Verbindungen bezeichnet, von welcher Bezeichnung auch im folgenden Gebrauch gemacht wird.
Die Wirkungsweise der bisher angewandten HV-Verbindungen besteht darin, dass die zu verbindenden Elemente durch die Vorspannung der HV-Schrauben mit grosser Kraft zusammengepresst werden, wobei die Kraftübertragung durch die sehr grosse Reibung zwischen den Berührungsflächen erfolgt. Die Vorteile dieser Verbindungsart, die die bisher angewandten Verbindungsarten von Metall-Konstruktionen, wie Nietung und Schweissen, in letzter Zeit immer mehr verdrängt, sind Materialersparnis und höhere Dauerfestigkeit, sowie, im Verhältnis zu den bisherigen Verbindungsarten, einfachere und wirtschaftlichere Montage.
Die weitere Entwicklung dieser neuzeitlichen Verbindungs art bei Metall-Konstruktionen ist aber durch folgende Gründe beschränkt:
1. Die Bemessungsgrundlagen für die bisherigen HV-Verbindungen sind noch nicht völlig geklärt. Bei diesen Verbindungen sind nämlich die Nettospannungen mit der äusseren Last nicht mehr proportional verknüpft, sondern weisen als Folge von Gleit- und Fliessvorgängen charakteristische Systeme mit veränderlicher Gliederung auf. Die zur Zeit gültige Bemessung über zul Netto führt daher zu unterschiedlich hohen Bruch- oder Traglastsicherheiten, die, auch bei konstanter Gleitlastsicherheit VG und gleicher zulässiger Last zul P, zwischen VTr = 1,50 und 2,25 liegen können (K. Klöppel-T.
Seeger: Sicherheit und Bemessung von HV-Verbindungen aus St 37 und St 52 nach Versuchen unter Dauerbelastung und ruhender Belastung ; Veröffentlichung des Institutes für Statik und Stahlbau der Technischen Hochschule Darmstadt;1965).
2. Das zulässige Spiel zwischen Schraubenbolzen und Lochrand ist nur 1,0 mm, so dass die Montage auf der Baustelle sehr schwierig ist.
3. Die Berührungsflächen der bekannten HV-Verbindungen, vorbereitet nach den üblichen Verfahren, wie Flamm- und Sandstrahlen, müssen vor äusseren Einflüssen (Rosten, Verunreinigungen usw.) vor der HV-Verschraubung geschützt werden, denn diese Einflüsse können die Grösse des Gleitbeiwertes 11 (der Quotient der Gleitlast und der Schrauben-Vorspannkraft) bedeutend vermindern.
4. Die auch auf der Baustelle bisher einzig anwendbare flamn strahlen-Vorbereitung hat - nach unseren Versuchsergebnissen - von Fall zu Fall eine Gefügeumwandlung an den Berührungsflächen zur Folge. Beim Flammstrahlen erreicht man nämlich stellenweise die Temperatur, bei der Perlit zerfällt bzw. Ferrit rekristallisiert. Die infolge der teilweisen Kristallumwandlung entstehenden Eigenspannungen zwischen den verschiedenen Kristallen bilden die Ursache des in der Praxis beim Flammstrahlen grösserer und dünnerer Platten oft vorkommenden Verziehens, wodurch ein kostspieliges nachträgliches Richten nötig ist.
5. Bei den bekannten HV-Verbindungen erfolgt die Kraft übertragung durch Reibung nur in der unmittelbaren Umgebung der Schrauben, denn die Vorspannkraft wird längs eines Kegels mit verhältnismässig kleinem Spitzenwinkel an die Berührungsfläche weitergeleitet und dadurch kommt die Klemmung nur in der unmittelbaren Nähe der Schraubenlöcher zur Wirkung.
6. Die grosse Klemmwirkung bei den bekannten HV-Verbindungen verhindert auch bei dieser Verbindungsart das freie Gleiten der Plattenenden und dadurch ist die Belastung der in Kraftrichtung hintereinander liegenden Gleitflächen auch hier veränderlich. Auch bei gleicher Vorspannung der Schrauben kommt die Berührungsfläche bei der in Kraftrichtung liegenden ersten Schraube zum Gleiten. Die Verteilung der Beanspruchungen folgt dem Gesetz der Cosinus hyperbolicus-Linie (Kettenlinie). Bei unveränderlicher Plattenbreite ist praktisch eine Änderung der Plattendicke, die eine gleich feste Ausbildung ermöglicht, unmöglich. Man kann die HV-Verbindungen - in Analogie zur neuesten Nietenberechnung - im sogenannten Zustand 3, in dem auch die plastischen Verformungen der Verbindungsmittel sowie der Platte betrachtet wird, nicht berechnen.
7. Die Tragfähigkeit der bisherigen HV-Verbindungen ändert sich proportional zu den eventuellen Unsicherheiten der Vorspannkraft, wie infolge Kriechens der Schrauben und der Ungenauigkeiten der Vorspannung (infolge Ablesungsfeh ler, Einstellfehler, Temperaturunterschieden, wegen der grossen Streuung des Momentenbeiwertes - d. h., des Quotienten aus Anziehdrehmoment und Produkt von Vorspannkraft und Nenndurclunesser der Schraube usw.). Die Vorspannkraft ist gegenwärtig der eine der beiden massgebenden Faktoren für die Bemessung der HV-Verbindungen.
8. Die grosse Streuung der Gleitbeiwerte ,tt, bei den bekannten HV-Verbindungen gewonnen mit den bisherigen Verfahren der Flächenvorbereitung, hat eine gleiche Streuung der Tragfähigkeit der Verbindungen zur Folge. Der Gleitbeiwert ist gegenwärtig der andere der beiden massgebenden Faktoren für die Bemessung der HV-Verbindungen. Die Streuung der Gleitbeiwerte bzw. die der Tragfähigkeit wird bei den bisherigen HV-Verbindungen folgendermassen veranschaulicht.
Die Grösse des für die Rechnung massgebenden Gleitbeiwertes tt, nach den derzeitig gültigen deutschen Vorschriften ( Vorläufige Richtlinien für Berechnung, Ausführung und bauliche Durchbildung von gleitfesten Schraubenverbindungen - HV-Verbindungen - für stählerne Ingenieur- und Hochbauten. Brücken und Krane 2. Ausgabe; Stahlbau-Verlag GmbH, Köln. 1963) - die auch andere Länder übernommen haben - beträgt: bei Stählen entsprechend St 33 und St 37: ,lt = 0,45, bei Stählen entsprechend St 57: ,tt = 0,60.
Diese Werte sind nach den erwähnten Vorschriften zu erreichen durch in letzteren genau spezifizierte Anweisungen für das Flamm- und Sandstrahlen der Berührungsflächen der Bauelemente.
Bei genauer Einhaltung dieser Anweisungen nach den bisherigen Vorschriften wurden aber - für beide Methoden beinahe gleich - bei Stählen St 37: Lt= 0,30-0,76 und bei Stählen St 5': ii 0,56-0,85 gemessen (0. Steinhardt-K. Möhler: Versuche zur Anwendung vorgespannter Schrauben im Stahlbau I. und II. Teil: Stahlbau-Verlag GmbH. Köln; 1954 1959; auch eigene Versuche).
Die Ergebnisse dieser Laboratoriumsversuche zeigen auch eine grosse Streuung der mit den bisherigen Verfahren gewonnenen Werte, die mit Rücksicht auf die möglichen Extremwerte, über die angenommene Sicherheit hinausgehend. z. B.
bei Stählen aus St 37 zu einer Unterdimensionierung der Konstruktionen um
100- = (-) (-) 336 c
0.15
0.45 bzw. zu einer Überdimensionierung um
0,76
100 =(+)69C
0,45 und bei Stählen aus St 52, genau so berechnet, zu einer Unterdimensionierung um rund (-) 7C/c bzw. zu einer Überdimensio nierung um rund (+) 49 C8c führen.
Ähnlich ergaben sich statt des in den bezüglichen USA Vorschriften ( Specifications for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts ; Research Council on Riveted and Bolted Structural Joints of the Engineering Foundation.
1964) festgesetzten minimalen Gleitbeiwertes Lt = 0,35 vorgeschrieben für gleitfeste ( friction type ) HV-Verbindungen, mit unbehandelten Berührungsflächen und aus Stählen mit und über einer Fliessgrenze vor OF = 33 ksi = '3,17 kp/ mm2 - in Wirklichkeit Gleitbeiwerte zwischen = 0,18-0,51 (O. Steinhardt - K. Möhler: Versuche zur Anwendung vorgespannter Schrauben im Stahlbau I. und II. Teil; Stahlbau Verlag GmbH, Köln, 1954. 1959; auch eigene Versuche), die darauf hinweisen, dass diese Konstruktionen gegebenenfalls um rund (-) 49 C e unter. bzw. um rund (+) 46% überdimen- sioniert sein können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beseitigung der aufgezählten Nachteile, die Verminderung der Streuung der tatsächlichen Sicherheit von HV-Verbindungen bei Metall Konstruktionen, insbesondere Stahlkonstruktionen, und dadurch die genauere Ermittlung ihrer Tragfähigkeit. sowie auf eine einfache und wirtschaftliche Weise die Steigerung der Tragfähigkeit dieser Verbindungen zu ermöglichen.
Die erfindungsgemässe Verbindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Konstruktionsteilen Scherelemente von grösserer Festigkeit als jene der Konstruktionsteile angeordnet sind, um die Belastbarkeit der Verbindung in senkrechter Richtung zu den Schraubenachsen zu erhöhen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man zwischen den Konstruktionsteilen Scherelemente anordnet, um die Belastbarkeit der Verbindung in senkrechter Richtung zu den Schraubenachsen zu erhöhen.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze. dass die Tragfähigkeit der gleitfesten HV-Verbindungen, abweichend von der bisherigen Theorie (diesbezügliche Vorlesungen des VII. Kongresses der Association Internationale des Ponts et Charpentes , Rio de Janeiro, 1964), in der Praxis nicht durch die Reibung zwischen den Berührungsflächen, sondern hauptsächlich durch die Scherbeanspruchung der herausragenden Teile auf den durch die Schraubenvorspannkraft gegeneinander gedrückten Berührungsflächen bestimmt wird. d. h. dass sie von der Rauhigkeit und der Festigkeit dieser Flächen abhängig ist; deshalb ist durchgehend vom Gleitbeiwert anstatt vom Reibbeiwert die Rede.
Auf Grund dieser Erkenntnis ist es möglich, die Tragfähigkeit der HV-Verbindungen anhand des Abscherens zu steigern bzw. eindeutig und mit kleiner Streuung zu bestimmen, indem man an oder zwischen den Berührungsflächen die Scherfestigkeit erhöhende Elemente anordnet, so dass die äusseren senkrecht zur Schraubenachse wirkenden Kräfte durch die Scherflächen dieser Scherelemente übertragen werden.
Die HV-Verbindung ist somit im Gegensatz zu den bisherigen gleitfesten Verbindungen auch eine Scherverbindung.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes. Es zeigen:
Fig. 1 eine Zweischrauben-Doppellaschen Zug-Druck-HV Verbindung, wobei 1 die Berührungsflächen, 2 die zu verbindenden Teile, 3 die Laschen und 4 die HV-Schrauben bedeuten,
Fig. 2 von den Berührungsflächen gefügemässig unabhängige Scherelemente, Fig. 2a, 2b doppelpyramidenförmige und Fig. 2c, 2d doppelkegelförmige Scherelemente. Die Fig. 7a und 2c zeigen Seitenansichten und die Fig. 2b und 2d Draufsichten der betreffenden Scherelemente,
Fig. 3 ein Verteilungsschema der von den Berührungsflächen gefügemässig unabhängigen Scherelemente und
Fig. 4 mit dem Werkstoff der Berührungsflächen zusammenhängende Scherelemente.
Die Scherelemente können in vielerlei Weise auf die eine oder auf die beiden Berührungsflächen aufgebracht werden, so z. B. im körnigen Zustand oder - wenn die Berührungsflächen nicht horizontal sind - aus einer Suspension, die ein entsprechendes Bindemittel enthält. sie können gestrahlt oder aufgestrichen sein oder aus dem Werkstoff der Flächen selbst bestehen.
Die Scherelemente können eine vorher bestimmte, genau bemessene Scherfläche haben oder sie können auf die Berührungsflächen aufgebracht bzw. aus demselben Werkstoff wie die Unterlage bestehende Elemente sein, deren genaue Scher flächengrösse nicht bekannt ist. Im ersten Falí wird von ausreichend bemessenen gleitfesten Scherverbindungen, im zweiten von gleitfesten Verbindungen erhöhter Tragfähigkeit gesprochen.
Bei den ausreichend bemessenen Scherverbindungen, d. h.
beim Anbringen der Scherelemente in der erforderlichen Anzahl, lässt sich die gesamte Scherfläche und damit die Tragfähigkeit der Verbindung eindeutig feststellen. Dabei wird unter der Tragfähigkeit der Verbindung die maximale Belastung verstanden, die auf die Verbindung senkrecht zur Schraubenachse ausgeübt werden kann.
Die Scherelemente können in die Berührungsflächen entweder durch Zusammenpressen der zu verbindenden Elemente durch besondere Anlagen (z. B. mittels von der Verbindung unabhängiger HV-Schrauben, hydraulisch usw.) oder durch die Klemmkraft, die durch die Vorspannung der für die Verbindung dienenden HV-Schrauben zustande kommt, so stark eingepresst werden, dass die Berührungsflächen in Berührung kommen. Dadurch erfolgt die Kraftübertragung durch die in die Berührungsflächen fallenden Scherflächen der Scherelemente.
Es hat sich als eine sehr vorteilhafte Lösung erwiesen, die Scherelemente an einer Folie oder an einer dünneren Platte vorzusehen. So ergibt sich die Möglichkeit, die Orientierung und die Dimensionierung der Scherflächen (die Anzahl der Scherelemente je Flächeneinheit) den verschiedenen übertragbaren Kräften, z. B. den HV-Schrauben-Durchmessern entsprechend zu wählen. Die auf die Form und Verteilung der Scherelemente abgestimmten Mulden können auch vorteilhaft durch Einpressen eines entsprechend geformten Gerätes in die Berührungsfläche zustande gebracht werden.
Die Folie bzw. Platte aus Stahl oder Kunststoff, die die Scherelemente mit einer der übertragbaren Kraft entsprechenden Verteilung enthält, wird vorteilhaft bei der Montage der Verbindung zwischen die Konstruktionteile der Verbindung gelegt, dann werden die Löcher für die Montage-Schrauben bzw. für die endgültigen HV-Schrauben selbstverständlich ausgeschnitten; schliesslich können nach der Vorspannung der Schrauben die überflüssigen Folien- bzw. Plattenteile abgeschnitten werden. Es ist auch sehr vorteilhaft, die Scherelemente nicht auf den Konstruktionsteilen als solchen anzubringen, sondern ungefähr 0,1-0,5 mm dicke Unterlagsscheiben anzuwenden, die für jeden Schraubendurchmesser und jede Belastbarkeit speziell hergestellt werden und Scherelemente in der nötigen Anzahl und Form aufweisen, z. B.
Scherelemente, die beim Vorspannen der entsprechenden Schraube in die Berührungsflächen eindrückbar sind.
Die Ausbildung der Scherelemente kann willkürlich gewählt werden. Wenn die Scherelemente durch Strahlen, Streichen oder Auflegen aufgebracht werden, sind würfelförmige Scherelemente am günstigsten. Beim Aufbringen mittels einer Folie, Platte oder spezieller Unterlagsscheibe wurden Scherelemente in Form von längs ihrer Grundflächen aufeinandergesetzten Doppelkegeln oder Doppelpyramiden, gegebenenfalls mit zwischen sie gelegten Zylindern oder Prismen, als günstigste Lösungen gefunden, die mit einer solchen Orientierung in der Folie, Platte oder Unterlagsscheibe befestigt sind, dass ihre Achsen senkrecht zu deren Ebene liegen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Aufbringungs-Methode werden die Scherelemente, z. B. von Kegel- oder Pyramidenform, auf die Berührungsflächen der Verbindung oder auf die zwischen diese Flächen gelegte Platte auf galvanischem Wege aufgebracht.
Diese Ausführungsform der oben beschriebenen HV-Verbindung wird anhand des nachstehenden Berechnungsbeispie les näher erläutert.
Beispiel
Bei einer gleitfesten HV-Verbindung aus St 37 ergibt sich die zulässige übertragbare Kraft z. B. einer M 24 Schraube, bei einer z. B. flammgestrahlten Reibfläche, aus der Vorspannkraft Pv, dem Gleitbeiwert u und der Sicherheit gegen Gleiten von z. B. VG = 1,6 (aus Lastfall H, bei Brücken und Kranen).
nach den gültigen deutschen Vorschriften:
EMI3.1
Bei einer Ausführungsform der oben beschriebenen HV Verbindung, aus gleichem Material und mit gleichen Schrauben bei Anwendung von Scherelementen aus NC 25k (Silberstahl bzw. Bohrerdraht auf HRe = 60 kp/mm2 gehärtet), mit je einer Scherfläche von f = 7,07 mm2, und mit einer Doppelkegelausbildung (D = 3 mm) mit einem Spitzenwinkel von 60 (Fig. 2c, 2d), von denen - aufgrund unserer Versuche die Vorspannkraft der angewandten M 24 Schraube 17 Stück in die Berührungsflächen aus St 37 hineindrücken kann, ist die übertragbare Kraft - bei den Scherelementen mit einer zulässigen Scherfestigkeit von T= 60 kp/mm2 berechnet - wie folgt:
zulP = zul 16f = 60177.07 = 7.21 MP.
Da unseren Erfahrungen nach die Grösse der durch die Vorspannkraft einer M 24 Schraube wirksam gedrückten Fläche ungefähr 60 cm2 ist (ein Kreis von 87 mm Durchmesser) und in dieser Fläche - das Schraubenloch mit 25 mm Durchmesser abgezogen - max. 60 Scherelemente der erwähnten Ausbildung Platz finden, falls diese Scherelemente mit einer gesonderten Anlage in die Berührungsflächen hineingepresst werden, ist die übertragbare Kraft der vorliegenden, den vorigen Voraussetzungen entsprechenden HV-Verbindung höchstens wie folgt: zul P = zul r 60 f = 60 607,07 = 25.45mop.
Figur 2 zeigt eine Verteilung der Scherelemente. die in einer durch die Vorspannkraft der M24-HV-Schraube wirksam gedrückten Kreisfläche gemäss dem obigen Beispiel unterzubringen sind.
Aus dem obigen Beispiel geht eindeutig hervor, dass die Anwendung der gegenständlichen HV-Verbindung eine ungefähr 3,75 fache Tragfähigkeitserhöhung bedeutet, verglichen mit derjenigen der bisher bekannten gleitfesten HV-Verbindungen. Die Streuung und die Sicherheit der Traglast bei den vorliegenden HV-Verbindungen ist gleich wie bei anderen Konstruktionsteilen. So können derartige HV-Verbindungen von gleicher Tragfähigkeit wie jene des Grundmaterials leicht hergestellt werden.
B) Bei den Scherverbindungen erhöhter Tragfähigkeit sind auf die Berührungsflächen aufgebrachte bzw. mit diesen aus einem Stück bestehende Scherelemente vorgesehen.
Es wurde als sehr vorteilhaft das sogenannte Aufdornen gefunden, bei dem die Tragfähigkeit der HV-Verbindung dadurch erhöht wird, dass aus dem Werkstoff der Berührungsflächen der zu verbindenden Elemente durch Oberflächenbehandlung, zweckmässig mechanisch, (z. B. mit einer Entzünderpistole) solche Scherelemente geformt werden, die mit den Berührungsflächen gefügemässig zusammenhängen und deren Festigkeit grösser ist als die des Grundmaterials; dabei wird eine minimale Oberflächenrauhigkeit erzielt, die mit Hilfe eines der beiden geometrischen Parameter der Rauhigkeit der erhaltenen Oberfläche - von 100,zum, mit dem Wert der Höhe der Unebenheiten (Rz = Rmax nach ISO/R 468-1966-E) an einer Bezugsstrecke von 1 = 2,5 mm gemessen, ausgedrückt werden kann.
Figur 4 veranschaulicht einen vergrösserten Schnitt der z. B.
gedornten Berührungsfläche. Wird die gewonnene Rauhigkeit dieser Oberfläche durch den an einer Bezugsstrecke von 1 = 2,5 mm gemessenen Wert von R, = R,;,, 100 Li m der Höhe der Unebenheiten - d. h. durch einen der zwei geometrischen Parameter der Rauhigkeit - charakterisiert, dann müssen die Durchschnittswerte der 5 grössten Höhen hl, h, h5, h-, h9 und der 5 grössten Vertiefungen h2, hA, hs, hs, hlo des Profils, gemessen von derselben Bezugslinie, innerhalb der Bezugsstrecke von I = 2,5 mm, mindestens den Wert von
100 ttm aufweisen;
der erwähnte Wert kann durch die nachstehende Ungleichung ausgedrückt werden:
EMI4.1
Die gedornten Berührungsflächen dieser HV-Verbindungen wurden mit den nach den bisherigen Verfahren vorbereiteten Flächen einerseits durch einen Vergleich der aus den Profilschnitten ermittelten Höhen der Unebenheiten R7 verglichen.
Die Profilschnitte wurden an den Bezugsstrecken von 1 = 0,8 und 1 = 2,5 mm punktiert. Anderseits wurden die anthmetischen Mittelrauhwerte R4 ( arithmetical mean deviation R from the mean line of the profile ) verglichen, die mit einem Profilometer der Bezugsstrecke von 1 = 0,8 mm auf einer Prüf länge von L = ca 10 mm gemessen wurden. Verglichen mit den durch die bisherigen Verfahren erreichbaren Werten konnte für beide Werte beim Aufdornen eine mindestens 2,5 fache Steigerung, bzw. durchschnittlich eine Steigerung von einer Ordnungsgrösse, festgestellt werden. Daraus folgt eindeutig, dass für die Tragfähigkeit der gedornten HV-Verbindungen das Abscheren die entscheidende Rolle spielt.
Das Aufdornen ermöglicht die Erhöhung der Tragfähigkeit von HV-Verbindungen bei Metall-Konstruktionen, um mindestens 306. durchschnittlich um 50sec bzw. eine Verminderung der Anzahl der zu verwendenden teuren Schrauben im gleichen Verhältnis, indem die Festigkeit vom Scherwiderstand anstatt von der Reibung ausgenützt wird. Gleichzeitig ist es auch möglich, die Tragfähigkeitssteuerung, die bei den bisher angewandten Vorbereitungsverfahren durch die ca. + 50Ncige Streuung des Gleitbeiwertes bedingt sind, wesentlich zu vermindern: im weiteren wird dadurch die Möglichkeit der Unterdimensionierung sowie die einer unbegründeten Überdimensionierung, trotz des vergrösserten Gleitbeiwertes, beseitigt.
Von den Vorteilen, der beschriebenen HV-Scherverbindungen für Metall-Konstruktionen seien - ausser, dass sie die erwähnten Nachteile der bisherigen HV-Gleitverbindungen beseitigen - noch die folgenden angeführt: a) Diese Verbindung verlangt keine Facharbeiter und ist einfacher und billiger als das zur Vorbereitung der Berührungsflächen der HV-Verbindungen bisher angewandte Flamm- bzw. Sandstrahlen, denn es genügen einfachere Arbeitsmittel und Vorbereitungen; die teure Sandstrahlanlage oder die beim Flammstrahlen unentbehrliche Schweissanlage, die schwer zu handhaben ist, fallen hier fort und statt dessen ist nur die eventuell zum Hineinpressen in die Berührungsflächen der Scherelemente nötige Anlage, z. B. ein hydraulischer Druckerzeuger und ein hydraulisches Spezialwerkzeug bzw.
die zur mechanischen Oberflächenbehandlung nötige Anlage, z. B. ein Drucklufterzeuger und ein Druckluftspezialwerkzeug erforderlich.
b) Zeit- und Materialbedarf des beschriebenen Verfahrens sind kleiner als bei dem bisherigen Flächenvorbereitungsverfahren. Im Gegensatz zum Sandstrahlen kann das Verfahren auch an der Baustelle angewendet werden. So beträgt z. B. der Zeitbedarf für das Aufdornen nur rund 20% desjenigen für das Flammstrahlen und ihr Materialbedarf ist unbedeutend.
c) Die Anwendung dieses Verfahrens enthält fast keine subjektiven Fehlermöglichkeiten und ihre einwandfreie Durchführung ist leicht zu kontrollieren. Gegenüber den komplizierten Bedingungen der bisherigen Verfahren (beim Flammstrahlen: Vorschub-Geschwindigkeit, Düsenabstand, Überschuss und Druck des Sauerstoffs usw.; beim Sandstrahlen: Sandqualität, Korndurchmesser, Düsenabstand usw.) lässt sich hier die einwandfreie Durchführung des Verfahrens durch blossen
Augenschein feststellen.
PATENTANSPRUCH 1
Gleitfeste Verbindung mindestens eines ersten Konstruk tionsteiles (2) mit einem zweiten Konstruktionsteil (3), mittels hochfester, vorgespannter Schrauben, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Konstruktionsteilen (2, 3) Scherelemente (5) von grösserer Festigkeit als jene der Konstruktionsteile angeordnet sind, um die Belastbarkeit der Verbindung in senkrechter Richtung zu den Schraubenachsen zu erhöhen.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verbindung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die grösste Abmessung eines von den Konstruktionsteilen gefügemässig unabhängigen Scherelementes (5) angenähert der Dicke des dünnsten Konstruktionsteiles (3) entspricht, während dessen kleinste Abmessung mindestens 0,5 mm beträgt (Fig. 1).
2. Verbindung nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Scherelement angenähert die Form von zwei aufeinandergesetzten Kegeln oder Pyramiden hat, wobei die beiden Basisflächen unmittelbar oder über einen Zylinder oder ein Prisma miteinander verbunden sind.
3. Verbindung nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherelemente (5) würfelförmig sind (Fig. 1).
4. Verbindung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass an den Berührungsflächen (1) der Konstruktionsteile (2, 3) mit ihnen gefügemässig zusammenhängende Scherelemente (5) angeordnet sind, dass die Höhe der grössten Scherelemente etwa gleich der Dicke des dünnsten der miteinander verbundenen Konstruktionsteile ist, und dass die Höhe der kleinsten Scherelemente etwa der Höhe (hl-h2; h7-h4) der Unebenheiten der Berührungsflächen (1) entspricht, gemessen auf einer Bezugsstrecke von 2,5 mm Länge (Fig. 4).
PATENTANSPRUCH II
Verfahren zur Herstellung der Verbindung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man zwischen den Konstruktionsteilen (2, 3) Scherelemente anordnet, um die Belastbarkeit der Verbindung in senkrechter Richtung zu den Schraubenachsen zu erhöhen.
UNTERANSPRÜCHE
5. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einander zuzukehrenden Flächen (1) der Konstruktionsteile von deren Werkstoff gefügemässig unabhängige Scherelemente, die die Form von zwei aufeinandergesetzten Kegeln oder Pyramiden aufweisen, wobei die beiden Grundflächen der beiden Kegel oder Pyramiden durch zwischen gelegte Zylinder oder Prismen verbunden sind, mittels einer Folie, Platte oder Unterlagsscheibe aufgebracht werden (Fig. 1 und 2).
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.
Non-slip connection of at least one first structural part with a second structural part by means of high-strength, pre-tensioned screws
The invention relates to a non-slip connection of at least one first structural part with a second structural part by means of high-strength, prestressed screws and a method for producing the connection.
Such connections are referred to in the specialist literature (see e.g. DIN 6914-6918, hexagon bolts with large widths across flats for high-voltage connections in steel structures) as high-voltage connections, which is also used in the following.
The mode of operation of the previously used HV connections is that the elements to be connected are pressed together with great force by the pretensioning of the HV screws, the force being transmitted through the very high friction between the contact surfaces. The advantages of this type of connection, which has recently been displacing the previously used types of connection in metal structures, such as riveting and welding, are material savings and greater fatigue strength, as well as simpler and more economical assembly compared to the previous connection types.
The further development of this modern type of connection in metal constructions is limited by the following reasons:
1. The basis of assessment for the previous HV connections has not yet been fully clarified. In these connections, the net stresses are no longer proportionally linked to the external load, but rather show characteristic systems with a variable structure as a result of sliding and flowing processes. The currently valid dimensioning over perm net therefore leads to different levels of breaking or load safety, which, even with constant sliding load safety VG and the same permissible load perm P, can be between VTr = 1.50 and 2.25 (K. Klöppel-T .
Seeger: Safety and dimensioning of HV connections made of St 37 and St 52 after tests under permanent load and static load; Publication by the Institute for Statics and Steel Construction at the Technical University of Darmstadt; 1965).
2. The permissible play between the screw bolt and the edge of the hole is only 1.0 mm, so that assembly on the construction site is very difficult.
3. The contact surfaces of the known HV connections, prepared according to the usual methods, such as flame and sandblasting, must be protected from external influences (rusting, contamination, etc.) before the HV screw connection, because these influences can reduce the size of the sliding coefficient 11 (the quotient of the sliding load and the screw pretensioning force) significantly.
4. According to our test results, the flamn beam preparation, which has so far only been applicable on the construction site, results in a structural change on the contact surfaces from case to case. With flame blasting, the temperature is reached in places at which pearlite decomposes or ferrite recrystallizes. The internal stresses that arise between the various crystals as a result of the partial crystal transformation are the cause of the distortion that often occurs in practice when flame-peening larger and thinner plates, which necessitates expensive subsequent straightening.
5. With the known HV connections, the force is only transmitted through friction in the immediate vicinity of the screws, because the pre-tensioning force is passed along a cone with a relatively small tip angle to the contact surface, which means that the clamping only occurs in the immediate vicinity of the screw holes Effect.
6. The large clamping effect in the known HV connections prevents the plate ends from sliding freely even with this type of connection, and the load on the sliding surfaces lying one behind the other in the direction of force is also variable here. Even with the same pretensioning of the screws, the contact surface comes to slide with the first screw lying in the direction of force. The distribution of the stresses follows the law of the hyperbolic cosine line (chain line). If the plate width does not change, it is practically impossible to change the plate thickness, which enables an equally solid design. In analogy to the latest rivet calculation, the HV connections cannot be calculated in the so-called state 3, in which the plastic deformations of the fasteners and the plate are also considered.
7. The load-bearing capacity of the previous HV connections changes proportionally to the possible uncertainties in the preload force, such as due to the creeping of the screws and the inaccuracies in the preload (due to reading errors, setting errors, temperature differences, due to the large spread of the moment coefficient - i.e. the quotient Tightening torque and product of preload force and nominal diameter of the screw, etc.). The prestressing force is currently one of the two decisive factors for dimensioning the HV connections.
8. The large spread of the sliding coefficients, tt, obtained with the known HV connections using the previous methods of surface preparation, results in the same spread of the load-bearing capacity of the connections. The sliding coefficient is currently the other of the two decisive factors for dimensioning the HV connections. The spread of the sliding coefficients or that of the load-bearing capacity is illustrated as follows for the previous HV connections.
The size of the sliding coefficient tt, which is decisive for the calculation, according to the currently valid German regulations (Preliminary guidelines for calculation, execution and structural formation of non-slip screw connections - HV connections - for steel engineering and building structures. Bridges and cranes 2nd edition; Steel construction Verlag GmbH, Cologne, 1963) - which other countries have also taken over - is: for steels corresponding to St 33 and St 37:. Lt = 0.45, for steels corresponding to St 57:. Tt = 0.60.
According to the regulations mentioned, these values can be achieved by precisely specified instructions for the flame and sandblasting of the contact surfaces of the components in the latter.
However, if these instructions were strictly observed according to the previous regulations, the following measurements were made - for both methods almost the same - for steels St 37: Lt = 0.30-0.76 and for steels St 5 ': ii 0.56-0.85 (0 Steinhardt-K. Möhler: Experiments on the use of pre-stressed screws in steel construction Part I and II: Stahlbau-Verlag GmbH. Cologne; 1954 1959; also own experiments).
The results of these laboratory tests also show a large spread of the values obtained with the previous methods, which, with regard to the possible extreme values, exceed the assumed safety. z. B.
for steels made of St 37 to an undersizing of the constructions
100- = (-) (-) 336 c
0.15
0.45 or to overdimensioning
0.76
100 = (+) 69C
0.45 and for steels made of St 52, calculated exactly this way, lead to underdimensioning by around (-) 7C / c or overdimensioning by around (+) 49 C8c.
Similarly, instead of those in the relevant USA regulations (Specifications for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts; Research Council on Riveted and Bolted Structural Joints of the Engineering Foundation.
1964) stipulated minimum sliding coefficient Lt = 0.35 prescribed for non-slip (friction type) HV connections, with untreated contact surfaces and made of steels with and above a flow limit before OF = 33 ksi = '3.17 kp / mm2 - in reality sliding coefficients between = 0.18-0.51 (O. Steinhardt - K. Möhler: Experiments on the use of pre-stressed screws in steel construction Part I and II; Stahlbau Verlag GmbH, Cologne, 1954. 1959; also our own tests), which indicate that these constructions may be around (-) 49 C e under. or can be oversized by around (+) 46%.
The invention is based on the object of eliminating the disadvantages listed, reducing the spread of the actual safety of HV connections in metal constructions, in particular steel constructions, and thereby determining their load-bearing capacity more precisely. as well as to enable the load-bearing capacity of these connections to be increased in a simple and economical manner.
The connection according to the invention is characterized in that shear elements of greater strength than those of the construction parts are arranged between the construction parts in order to increase the load-bearing capacity of the connection in a direction perpendicular to the screw axes.
The method according to the invention is characterized in that shear elements are arranged between the structural parts in order to increase the load-bearing capacity of the connection in a direction perpendicular to the screw axes.
The invention makes use of the knowledge. that the load-bearing capacity of the non-slip HV connections, deviating from the previous theory (related lectures of the VII. Congress of the Association Internationale des Ponts et Charpentes, Rio de Janeiro, 1964), in practice not through the friction between the contact surfaces, but mainly through the shear stress of the protruding parts on the contact surfaces pressed against each other by the screw preload is determined. d. H. that it depends on the roughness and strength of these surfaces; therefore, the term sliding coefficient is used throughout instead of the coefficient of friction.
Based on this knowledge, it is possible to increase the load-bearing capacity of the HV connections by means of shearing or to determine it unambiguously and with little variation by arranging the shear strength-increasing elements on or between the contact surfaces so that the outer ones act perpendicular to the screw axis Forces are transmitted through the shear surfaces of these shear elements.
In contrast to the previous non-slip connections, the HV connection is therefore also a shear connection.
The drawing shows an embodiment of the subject matter of the invention. Show it:
Fig. 1 shows a two-screw double strap tension-compression HV connection, with 1 being the contact surfaces, 2 being the parts to be connected, 3 being the straps and 4 being the HV screws,
2 shear elements structurally independent of the contact surfaces, FIGS. 2a, 2b double-pyramid-shaped and FIGS. 2c, 2d double-conical shear elements. 7a and 2c show side views and FIGS. 2b and 2d show plan views of the relevant shear elements,
3 shows a distribution diagram of the shear elements, which are structurally independent of the contact surfaces, and FIG
4 shear elements associated with the material of the contact surfaces.
The shear elements can be applied in many ways to one or both of the contact surfaces, e.g. B. in the granular state or - if the contact surfaces are not horizontal - from a suspension containing an appropriate binder. they can be blasted or painted or consist of the material of the surfaces themselves.
The shear elements can have a predetermined, precisely measured shear surface or they can be applied to the contact surfaces or made of the same material as the base elements whose exact shear surface size is not known. In the first case one speaks of sufficiently dimensioned slip-resistant shear connections, in the second case of slip-resistant connections with increased load capacity.
In the case of the adequately sized shear joints, i. H.
When attaching the required number of shear elements, the entire shear area and thus the load-bearing capacity of the connection can be clearly determined. The load-bearing capacity of the connection is understood to mean the maximum load that can be exerted on the connection perpendicular to the screw axis.
The shear elements can be inserted into the contact surfaces either by pressing the elements to be connected together using special systems (e.g. by means of HV screws that are independent of the connection, hydraulic, etc.) or by the clamping force created by the pretensioning of the HV parts used for the connection. Screws come about must be pressed in so hard that the contact surfaces come into contact. As a result, the force is transmitted through the shear surfaces of the shear elements falling into the contact surfaces.
It has proven to be a very advantageous solution to provide the shear elements on a foil or on a thinner plate. This results in the possibility of the orientation and dimensioning of the shear surfaces (the number of shear elements per unit area) the various transferable forces, e.g. B. to choose the HV screw diameters accordingly. The depressions matched to the shape and distribution of the shear elements can also advantageously be produced by pressing a correspondingly shaped device into the contact surface.
The foil or plate made of steel or plastic, which contains the shear elements with a distribution corresponding to the transferable force, is advantageously placed between the structural parts of the connection during the assembly of the connection, then the holes for the assembly screws or for the final HV screws cut out of course; Finally, after the screws have been pretensioned, the superfluous foil or plate parts can be cut off. It is also very advantageous not to attach the shear elements to the structural parts as such, but to use approximately 0.1-0.5 mm thick washers, which are specially manufactured for each screw diameter and each load capacity and have shear elements in the required number and shape, z. B.
Shear elements which can be pressed into the contact surfaces when the corresponding screw is pretensioned.
The design of the shear elements can be chosen arbitrarily. If the shear elements are applied by blasting, brushing or laying, cube-shaped shear elements are the most favorable. When applying by means of a foil, plate or special washer, shear elements in the form of double cones or double pyramids placed one on top of the other along their base surfaces, optionally with cylinders or prisms placed between them, were found to be the most favorable solutions, which are fastened with such an orientation in the foil, plate or washer are that their axes are perpendicular to their plane.
According to a further advantageous application method, the shear elements, for. B. of a cone or pyramid shape, applied to the contact surfaces of the connection or on the plate placed between these surfaces by galvanic means.
This embodiment of the HV connection described above is explained in more detail using the following calculation example.
example
With a non-slip HV connection made of St 37, the permissible transferable force z. B. an M 24 screw, with a z. B. flame-blasted friction surface, from the preload force Pv, the sliding coefficient u and the safety against sliding of z. B. VG = 1.6 (from load case H, for bridges and cranes).
according to the valid German regulations:
EMI3.1
In one embodiment of the HV connection described above, made of the same material and with the same screws when using shear elements made of NC 25k (silver steel or drill wire hardened to HRe = 60 kp / mm2), each with a shear area of f = 7.07 mm2, and with a double cone design (D = 3 mm) with a tip angle of 60 (Fig. 2c, 2d), of which - based on our tests, the pretensioning force of the M 24 screw used can push 17 pieces into the contact surfaces made of St 37, the transferable one Force - calculated for the shear elements with a permissible shear strength of T = 60 kp / mm2 - as follows:
permP = perm 16f = 60177.07 = 7.21 MP.
Since, according to our experience, the size of the area effectively pressed by the pretensioning force of an M 24 screw is approximately 60 cm2 (a circle of 87 mm diameter) and in this area - the screw hole with 25 mm diameter subtracted - max. There is space for 60 shear elements of the aforementioned design, if these shear elements are pressed into the contact surfaces with a separate system, the transferable force of the present HV connection corresponding to the above requirements is at most as follows: perm P = perm r 60 f = 60 607, 07 = 25.45 mop.
Figure 2 shows a distribution of the shear elements. which are to be accommodated in a circular area effectively pressed by the pretensioning force of the M24-HV screw according to the above example.
The above example clearly shows that the application of the HV connection in question means an approximately 3.75-fold increase in load-bearing capacity compared to that of the previously known non-slip HV connections. The spread and the safety of the load capacity with the present HV connections is the same as with other construction parts. In this way, such high-voltage connections with the same load-bearing capacity as those of the base material can easily be made.
B) In the case of shear connections with increased load-bearing capacity, shear elements which are applied to the contact surfaces or which are made in one piece with them are provided.
So-called flaring was found to be very advantageous, in which the load-bearing capacity of the HV connection is increased by forming such shear elements from the material of the contact surfaces of the elements to be connected by surface treatment, expediently mechanically (e.g. with an igniter gun) which are structurally related to the contact surfaces and whose strength is greater than that of the base material; A minimum surface roughness is achieved, which is determined with the help of one of the two geometric parameters of the roughness of the surface obtained - from 100 to, with the value of the height of the unevenness (Rz = Rmax according to ISO / R 468-1966-E) on a reference section measured from 1 = 2.5 mm, can be expressed.
Figure 4 illustrates an enlarged section of the z. B.
thorn contact surface. If the roughness of this surface obtained is given by the value of R, = R,; ,, 100 Li m of the height of the unevenness - that is, measured on a reference distance of 1 = 2.5 mm. H. Characterized by one of the two geometrical parameters of the roughness - then the average values of the 5 largest heights hl, h, h5, h-, h9 and the 5 largest depressions h2, hA, hs, hs, hlo of the profile, measured from the same reference line , within the reference distance of I = 2.5 mm, at least the value of
100 ttm;
the mentioned value can be expressed by the following inequality:
EMI4.1
The spiked contact surfaces of these HV connections were compared with the surfaces prepared according to the previous methods on the one hand by comparing the heights of the unevenness R7 determined from the profile sections.
The profile cuts were dotted at the reference sections of 1 = 0.8 and 1 = 2.5 mm. On the other hand, the anthmetic mean roughness values R4 (arithmetical mean deviation R from the mean line of the profile) were compared, which were measured with a profilometer of the reference distance of 1 = 0.8 mm over a test length of L = approx. 10 mm. Compared with the values achievable with the previous methods, an increase of at least 2.5 times or an average of an increase of one order of magnitude could be determined for both values during flaring. From this it clearly follows that shearing plays the decisive role for the load-bearing capacity of the thorn high-voltage connections.
Flaring enables the load-bearing capacity of high-voltage connections in metal structures to be increased by at least 306 seconds on average, or a reduction in the number of expensive screws to be used in the same ratio, by utilizing the strength of the shear resistance instead of the friction. At the same time, it is also possible to significantly reduce the load-bearing capacity control, which is due to the approx. + 50Ncige spread of the sliding coefficient in the preparation methods used up to now: this also increases the possibility of undersizing and unfounded oversizing, despite the increased sliding coefficient, eliminated.
Of the advantages of the described high-voltage shear connections for metal constructions - apart from the fact that they eliminate the disadvantages of the previous high-voltage sliding connections - the following are also mentioned: a) This connection does not require skilled workers and is simpler and cheaper than the preparation Flame or sandblasting previously used on the contact surfaces of the HV connections, because simpler tools and preparations are sufficient; the expensive sandblasting system or the welding system, which is indispensable for flame blasting and which is difficult to handle, are omitted here and instead only the system that may be necessary for pressing into the contact surfaces of the shear elements, e.g. B. a hydraulic pressure generator and a hydraulic special tool or
the system required for mechanical surface treatment, e.g. B. a compressed air generator and a special compressed air tool required.
b) The time and material required for the process described are less than for the previous surface preparation process. In contrast to sandblasting, the process can also be used on the construction site. So z. B. the time required for flaring only around 20% of that for flame blasting and their material requirements are insignificant.
c) The application of this procedure contains almost no subjective possibilities of error and its correct implementation is easy to check. Compared to the complicated conditions of the previous processes (with flame blasting: feed speed, nozzle spacing, excess and pressure of oxygen, etc .; with sandblasting: sand quality, grain diameter, nozzle spacing, etc.), the process can be carried out properly here
Establish visual inspection.
PATENT CLAIM 1
Non-slip connection of at least one first structural part (2) with a second structural part (3) by means of high-strength, pre-tensioned screws, characterized in that shear elements (5) of greater strength than those of the structural parts are arranged between the structural parts (2, 3), to increase the load-bearing capacity of the connection in a direction perpendicular to the screw axes.
SUBCLAIMS
1. A connection according to claim I, characterized in that the largest dimension of a shear element (5) which is structurally independent of the structural parts corresponds approximately to the thickness of the thinnest structural part (3), while its smallest dimension is at least 0.5 mm (Fig. 1) .
2. Connection according to claim I and dependent claim 1, characterized in that the shear element has approximately the shape of two cones or pyramids placed one on top of the other, the two base surfaces being connected to one another directly or via a cylinder or a prism.
3. Connection according to claim I and dependent claim 1, characterized in that the shear elements (5) are cube-shaped (Fig. 1).
4. A connection according to claim I, characterized in that on the contact surfaces (1) of the structural parts (2, 3) structurally coherent shear elements (5) are arranged with them, that the height of the largest shear elements is approximately equal to the thickness of the thinnest of the interconnected Construction parts, and that the height of the smallest shear elements corresponds approximately to the height (hl-h2; h7-h4) of the unevenness of the contact surfaces (1), measured over a reference distance of 2.5 mm in length (Fig. 4).
PATENT CLAIM II
Method for producing the connection according to claim 1, characterized in that shear elements are arranged between the structural parts (2, 3) in order to increase the load-bearing capacity of the connection in a direction perpendicular to the screw axes.
SUBCLAIMS
5. The method according to claim II, characterized in that between the facing surfaces (1) of the construction parts of their material structurally independent shear elements, which have the shape of two cones or pyramids placed on top of one another, the two base surfaces of the two cones or pyramids through between Lay cylinders or prisms are connected, are applied by means of a film, plate or washer (Fig. 1 and 2).
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