WeissQuadrat Simulation Schrauben 

Schrauben – VDI 2230, Eurocode 3, Kranbaunorm

Die numerische Berechnung von hochfesten Schraubenverbindungen nach der VDI 2230 stellt - im Übringen wie die Berechnung von Schweissnähten - einen hohen Anspruch an das FEM-Modell. Der Grund liegt in der Einhaltung von definierten Modellierungs- und Auswertevorgaben. Dadurch wird die Berechnung komplex und zeitintensiv. Auf der anderen Seite bildet die Verwendung eines FEM-Modells die Realität viel genauer ab, als eine rein analytische Betrachtung. Insbesondere können nicht lineares Material- oder Kontaktverhalten oder auch geometrische Nichtlinearität mit berücksichtigt werden.

 

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Schrauben – VDI 2230, Eurocode 3, Kranbaunorm

Insgesamt unterscheidet die VDI 2230 Blatt 2 vier Modellklassen, wobei sich die Modellklasse 3 als praktikabelste erwiesen hat. Bei dieser Modellklasse wird die Schraube als vereinfachter Ersatzvolumenkörper abgebildet, und zwar ohne Gewinde, jedoch mit Vorspannung. Dabei ist zu beachten,  dass die Nachgiebigkeiten der Realität entsprechen. Neben dem Kontakt in der Trennfuge kann auch der Kontakt in den Auflageflächen des Schraubenkopfs und der Mutter berücksichtigt werden.

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Eine geeignete Modellierung der Kontaktbedingung ist für die Beurteilung der unter Vorspannung stehdenden Schraube zwingend notwendig. Erst dadurch kann ein eventuelles Klaffen oder auch Rutschen der Verbindung untersucht werden. Die VDI 2230 Blatt 2 schreibt zudem die Berechnung mit der maximalen Schraubenvorspannkraft und der um den Anziehfaktor reduzierten minimalen Schraubenvorspannkraft vor. Jeweils auch unter Berücksichigung des Setzbetrags.

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Dabei ist Fvmax in der Regel für den Nachweis der Flächenpressung und der maximalen Schraubenbeanspruchung im Betrieb massgebend. Die Fvmin für den Nachweis der Schwingbeanspruchung und ein eventuelles Klaffen. Der Montagezustand repräsentiert den Zustand nach dem Aufbringen der Montagevorspannkraft und der Betriebszustand die Betriebsbeanspruchung wie z.B. Externe Lasten, Drücke oder auch thermische Lasten.

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Nach der Vernetzung werden die Randbedingungen aufgebracht. In einem ersten Lastschritt erhält die Schraube deren Vorspannkraft. Im zweiten Lastschritt erfolgt der Setzbetrag und im dritten bzw. in den nachfolgenden Lastschritten wird die Schraubenverbindung auf "Lock" gesetzt. Dies bedeutet, dass der Verpsannungszustand für alle weiteren Lastschritte eingefrohren wird.

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Nach dem Lösen des FEM-Modells wird zunächst eine Kontaktanalyse durchgeführt. Eine Darstellung des Kontaktstatus visualisiert dabei die Veränderung des Kontaktzustands. Es könnte sein, dass sich der Kontaktzustand während der Belastungshistorie von "Sticking" auf "Sliding" oder gar auf "Near Contact" ändert. Der blau umrandete Bereich zeigt die lokale Veränderung des Kontaktstatus in diesem Beispiel. Die Farbe rot repräsentiert dabei "Sticking" und die Farbe orange "Sliding".

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Eine weitere Grösse bei einer Kontaktanalyse ist der Kontaktdruck. Dieser verändert sich ebefalls mit der Belastungshistorie. Im Montagezustand (Bild links) haben alle Schrauben denselben Kontaktdruck. Das Bild rechts zeigt hingegen den veränderten Kontaktdruck während des Betriebszustands.

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Der Kontaktspalt gibt Aufschluss über die geometrische Veränderung innerhalb der Kontaktfläche. Gut ersichtlich bei diesem Beispiel ist, dass diese Flanschplatte durch das Anziehen der Schrauben - welche sich am Umfang der Platte befinden - in der Mitte hochgezogen wird. Im Betriebszustand verändert sich die Lage dieser "Beule" und deren Grösse.

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Die eigentliche Auswertung gemäss VDI 2230 erfolgt jetzt. Eine der wichtigsten Grössen ist die Veränderung der Vorspannkraft über alle Lastfälle. Diese Information liegt im Postprocessing vor und kann einfach ausgelesen werden.

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In einem nächsten Schritt erfolgt das Auslesen der Momente um den Kopf, den Schaft und dem Gewinde.

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Für den statischen Nachweis und den Ermüdungsnachweis der Schrauben nach VDI 2230 empfielt sich die Erstellung eines Excel Sheets. Hier werden alle relevanten Daten aus dem FEM-Modell eingetragen und der Nachweis gemäss den Formelwerken der VDI durchgeführt. Der Vorteil an einem solchen Template liegt in der Wiederverwendung in anderen Projekten.

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Anstelle eines Excel Sheets kann auch ein externes Programm wie z.B. KISSsoft für den Nachweis verwendet werden.

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Alternativ zum Schraubennachweis nach VDI 2230 gibt es auch noch weitere Regelwerke wie zum Beispiel den Eurocode 3 (EN 1993-1-8). Auch hier empfielt es sich die Formelwerke in einem Template einzupflegen.

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Auch die Kranbaunorm DIN EN 13001-3-1 bildet einen Schraubennachweis ab.

Wir führen Schraubennachweise nach allen 3 genannten Regelwerken durch. Zumeist ist die Nachweisart je nach Anwendungsfall vorgeschrieben oder mit dem Kunden zu vereinbaren.

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