Martin-Christoph Wanner’s research while affiliated with University of Rostock and other places

Many mechanical joints in steel structures use conventional bolts. Nevertheless, this proven joining technology has some significant disadvantages. These basically include the high levels of scatter during application of the assembly preload using the torque‐controlled tightening process, the risk of loosening during cyclic loads due to transverse displacement of the components and the low fatigue resistance under axial loading. Lockbolt technology was invented as long ago as the 1930s and mainly used for the aviation and space industry because of its evident advantages. This joining technology has been constantly further developed in response to the most diverse demands from sectors such as aviation, commercial vehicles, rail vehicles, agricultural machinery, defence technology and steel structures. The application of lockbolt technology, which is primarily used in mechanical engineering, was in most cases based on individual studies, since no consistent rules and guidelines were available for the design and execution of lockbolt connections in steel structures. Within the scope of several public research projects funded by the AiF (German Federation of Industrial Research Associations) and conducted by the iGF (Industrial Collective Research) organization as well as through approval investigations, the Fraunhofer Institute for Large Structures in Production Engineering (IGP) has successively developed the necessary design rules according to the EN 1993 standard (Eurocode 3) for use in structural connections. These design rules will be presented within the context of this article in order to make the benefits of this joining technology available to other users. In addition, insights into the use of technical approvals will be presented together with some current applications.

Many mechanical joints in steel structures use conventional bolts. Nevertheless, this proven jointing technology has some significant disadvantages. These basically include the high levels of scatter during application of the assembly preload using the torque‐controlled tightening process, the risk of loosening during cyclic loads due to transverse displacement of the components and the low fatigue resistance under axial loading. Lockbolt technology was invented as long ago as the 1930s and mainly used for the aviation and space industry because of its evident advantages. This jointing technology has been constantly further developed in response to the most diverse demands from sectors such as aviation, commercial vehicles, rail vehicles, agricultural machinery, defence technology and steel structures. The application of lockbolt technology, which is primarily used in mechanical engineering, was in most cases based on individual studies, since no consistent rules and guidelines were available for the design and execution of lockbolt connections in steel structures. Within the scope of several public research projects funded by the AiF (German Federation of Industrial Research Associations) and conducted by the iGF (Industrial Collective Research) organization as well as through approval investigations, the Fraunhofer Institute for Large Structures in Production Engineering (IGP) has successively developed the necessary design rules according to the EN 1993 standard (Eurocode 3) for use in structural connections. This paper presents connections with lockbolts in steel structures. Following an introduction to lockbolt technology and the assembly preload of lockbolts, the securing effect and corrosion protection of lockbolts are presented.

Der vorliegende Abschlussbericht zum Thema „Beanspruchungsgrenzen für Funktionselement-Verschraubungen" verdeutlicht die geometrische und werkstoffliche Beschreibung des Befestigungsabschnittes mithilfe eines Mapping Verfahrens. Der Vorteil einer Segmentierung des CAD Modells besteht darin, dass die jeweils verwendete Simulationssoftware ein Mapping nicht explizit unterstützen können muss. Die dargelegten Methoden werden als Voraussetzung gesehen, schraubtechnischen Fragestellungen in Bezug auf die notwendigen Nachweise einzelner Regelwerke zu begegnen. Der konkreten praxisnahen Problemstellung des Vorspannkraftverlustes in Verschraubungen mit Funktionselementen wird durch eigene experimentelle Untersuchungen erschlossen. Hierfür werden zwei experimentelle Untersuchungsmethoden, die zyklischen Zug-Druck-Versuche und die Versuche zur Schwingbeanspruchbarkeit vorgeschlagen. Insbesondere die Untersuchungen zur Schwingbeanspruchbarkeit benötigen ein bauteilunabhängiges Versuchsergebnis.

Im Stahl- und Metallleichtbau für Windenergie- und Solaranlagen verlangen aktuelle Anwendungsfälle nach anspruchsvollen Fügeaufgaben. Untersuchungsgegenstand sind mit der HR/HV-Schraube engverwandte Verbindungselemente, ausgeführt als Scher-/Lochleibungsverbindungen (SL) und gleitfest vorgespannte Verbindungen (GV). Diese Verbindungskategorie weist aufgrund ihrer reibschlüssigen Kraftübertragung eine besondere Eignung in verformungsarmen und/oder ermüdungsbeanspruchten Stahlbaukonstruktionen auf. Bei GV-Verbindungen sind die Bemessungsparameter, aber auch Fertigungs- und Montageanforderungen geeignet festzulegen. So stehen im Vordergrund wissenschaftlicher Untersuchungen die Haftreibungszahl, die Vorspannkraft und deren Verluste, übergroße Löcher und Langlöcher sowie die Art der Vorlocheinbringung. Im Rahmen dieses Beitrages soll ein Überblick zu Forschungsaktivitäten hinsichtlich des Tragverhaltens von GV-Verbindungen gegeben werden.

In transport and energy sector, the request to reduce the fuel consumption has led to develop concepts of saving energy. Lightweight materials e.g. carbon fiber-reinforced plastics (CFRP) allow the transport sector significantly to reduce weight and thus an increase in efficiency results. Therefore, the importance of hybrid structures of metallic and CFRP in recent years has increased. Some conventional joining processes of the automotive industry are of limited use in hybrid lightweight design, others require a detailed study of the acting mechanisms. The self-piercing rivet (SPR) process is a commonly used mechanical joining technology for multi material design without need of pilot holes. Due to its high reproducibility and sophisticated process control it can be used even with different material combinations. Essentially, to get a high-quality joining the proper setting of the process parameters depending on the materials is necessary. The mechanical properties of fiber polymers strongly depend on the local material structure, the material behavior of the individual constituents and the knowledge about characteristic damage phenomena. Mechanical joining processes such as the self-piercing riveting commonly induce fiber ruptures, matrix cracking and delamination in the joining zone. This local damage has a great impact on the joinability of the material and the quality of the joint. The aim of the research project is to determine, characterize and numerically model the self-piercing rivet process for a selected material and joining element combination. The results give a general insight into the mechanical processes within the joining zone and its impact on the joint connection. Within the project duration a systematically characterization of the constituents was utilized to obtain appropriate simulation results of the rivet process as well as to assess the influence of damage on the quality of the joint. The two-scale material structure of the composite allows the application of homogenization techniques. Using the integration of the formulated material models in a setting process simulation of the SPR, we allow the analysis of the joinability, the joint quality and the induced damage. Result of this research is a numerical simulation model in ABAQUS explicit that enables the joining process of a SPR in a hybrid material compilation by a consistent, systematic modeling based on a multi-scale approach to predict the effective orthotropic material properties based on less experimental studies. The model is also able to predict cohesive failure and the damage of the fiber and the matrix. We see potential in predicting the setting process and the joining point in the field of damage modeling and element extinction. The aim of the project was achieved.

Das Fügen von Bauteilen zu Baugruppen oder zum finalen Produkt beeinflusst unmittelbar deren Kosten und Qualität. Bereits durch die Wahl einer geeigneten Fügetechnologie können Unternehmen somit wesentliche Wettbewerbsvorteile erlangen. Bei der Auswahl der Fügetechnologie wird der Konstrukteur jedoch bereits durch die Vielzahl der Möglichkeiten vor enorme Hürden gestellt. Die Eignung der Fügetechnologie für den jeweiligen Anwendungsfall hängt dabei von unterschiedlichen Faktoren ab. Dies können neben den technologischen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffen auch konstruktive, wie die Zugänglichkeit zur Fügestelle, sein. Damit wird auch die Wirtschaftlichkeit einer Konstruktion, die sich z. B. aus der Notwendigkeit zur Nachbereitung der Fügestelle ergibt, wesentlich durch die Wahl der Fügetechnologie beeinflusst. In verschiedenen Branchen erfreut sich das mechanische Fügen aufgrund neuer Forschungserkenntnisse hinsichtlich der Bemessung einer wachsenden Beliebtheit. Neben dem Schienen- und Nutzfahrzeugbau ist auch der Stahl- und Metallleichtbau ein wichtiges Anwendungsfeld. Dies zeigen u. a. die Zahlen der Beantragungen von nationalen (abZ, ZiE) und internationalen (ETA) Zulassungen beim Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt). Je nach Einsatzgebiet, welches von Fassaden- und Dachbefestigungen, Hochregallagern, Solar- und Windenergieanlagen bis hin zu Wagenkästen und die Befestigung von Aufbauten reicht, sind die Verbindungselemente während ihrer geplanten Nutzungsdauer wechselnden Belastungen und folglich einer Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt. Daher müssen die Verbindungen für die geplante Nutzungsdauer sicher bemessen werden. Von Schraubverbindungen abgesehen, fehlen den Anwendern für alternative mechanische Fügeverfahren oft wichtige Erkenntnisse. Im Rahmen aktueller Forschungstätigkeiten konnten am Fraunhofer-Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik in Rostock wesentliche Forschungsergebnisse erzielt werden, die eine wirtschaftliche und ermüdungssichere Bemessung von Blindniet- und Schließringbolzenverbindungen ermöglichen. Dazu wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die den Einsatzbereich sowohl in stahl- als auch maschinenbaulichen Anwendungen deutlich erweitern und erleichtern. So konnten erstmalig Bemessungsparameter ermittelt werden, welche die Bemessung im Sinne des Eurocode 3 gestatten.

Schwingfestigkeit von Blindnietverbindungen im Stahl- und Schienenfahrzeugbau