Tragwerke aus nichtrostendem Stahl kommen mehr und mehr zum Einsatz. Die aktuelle Bemessungsnorm zu nichtrostenden Stählen der Eurocode 3-Familie, DIN EN 1993-1-4, kann nun, nachdem auch der Nationale Anhang hierzu letztes Jahr veröffentlicht wurde, angewendet werden. In diesem Zusammenhang wurden im Rahmen des europäischen RFCS-Dissemination Projekts PUREST die Bemessungshilfen zu nichtrostenden Stählen im Bauwesen aktualisiert und stehen den Anwendern zusammen mit einer Kommentierung, online nutzbarer Bemessungssoftware sowie einem Webinar als Hilfestellungen zur kostenlosen Verfügung. Diese Hilfestellungen liefern Erläuterungen und ermöglichen den Ingenieuren aus der Praxis ein größeres Verständnis der Anwendungs- und Ausführungsregeln zur Auslegung und Konstruktion von Tragwerken aus nichtrostendem Stahl.

Gleitfeste Verbindungen im Stahlbau ermöglichen schlupf- und verformungsarme geschraubte Anschlüsse, die vorwiegend in Konstruktionen zum Einsatz kommen, in denen ungewollte Verformungen innerhalb der Verbindungen die Gebrauchseigenschaften der Tragwerke einschränken würden. Typische Einsatzgebiete stellen beispielsweise Funkmasten und ermüdungsbeanspruchte Brücken oder Türme von Windenergieanlagen dar. Wesentliche Kenngrößen derartiger Verbindungen sind die Haftreibungszahl und die Höhe der Vorspannung in den Schrauben. Die neue Herstellungsnorm für Stahlbauten, die DIN EN 1090-2, bietet im Gegensatz zur DIN 18800-7 die Möglichkeit der Berücksichtigung verschiedener Arten von Oberflächen und Oberflächenvorbereitungen über unterschiedliche Gleitflächenklassen und stellt mit dem Anhang G ein detailliertes Prüfverfahren zur Ermittlung der Haftreibungszahl unter Berücksichtigung der Kriechgleitneigung zur Verfügung. Die Unterschiede in der Prüfmethodik im Vergleich zur TL/TP-KOR-Stahlbauten liegen im Detail und können zu ungünstigeren Haftreibungszahlen führen.

Slip-resistant connections according to Eurocode 3 and DIN EN 1090-2.
Slip-resistant connections in steel structures permit bolted connections with low slip and deformation, which are mainly used in structures, in which deformations of the connections would limit the serviceability of the structures. Typical applications can be found in radio masts, bridges and towers of wind turbines, which are loaded by fatigue. Essential characteristics of these connections are the slip factor and the preload in the bolts. The new execution standard for steel structures, DIN EN 1090-2, provides in contrast to DIN 18800-7 the possibility of considering different surface treatments by various classes and with Annex G, it provides a detailed test method to determine the slip factor taking into account possible creep effects. The differences in the testing methodology in comparison to the TL/TP-KOR-Stahlbauten are in the details and can lead to unfavourable slip factors.

Im Stahlbau werden Schraubverbindungen entweder aus Gründen der Tragfähigkeit oder der Gebrauchstauglichkeit vorgespannt. Ein- und mehrschnittige Verbindungen in Brücken, Funkmasten und Turmbauwerken von Windenergieanlagen gehören zu den typischen Einsatzgebieten. Eine Spaltbildung, hervorgerufen durch fertigungs- und montagebedingte Imperfektionen, stellt ein Risiko z. B. für das kontrollierte Aufbringen des erforderlichen Vorspannkraftniveaus sowie zur Vermeidung von Spaltkorrosion dar. Dies kann die Tragfähigkeit sowie die Dauerhaftigkeit der Verbindung erheblich beeinträchtigen und sogar zu einem vorzeitigen Versagen führen. Die Spaltbildung ist daher auf ein Minimum zu begrenzen, wobei DIN EN 1090-2 dazu Maßnahmen wie z. B. den Einsatz von Futterblechen vorsieht. Eine mögliche Alternative für den Ausgleich von Spalten stellen Zweikomponenten-Reaktionsharzsysteme auf Epoxidharzbasis dar, die zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften mit speziellen metallischen Werkstoffen gefüllt sind. Im Rahmen des ZIM-Kooperationsprojekts “Bri-San-T - DuroFüllSta” wurden systematische Untersuchungen zum Einsatz des duroplastischen Spaltausgleichsmaterials MM1018 der Firma Diamant Polymer GmbH in vorgespannten geschraubten Verbindungen durchgeführt. Im vorliegenden Beitrag werden die experimentell bestimmten Haftreibungszahlen sowie die zu erwartenden Vorspannkraftverluste vorgestellt.

The application of duroplastic gap filling material DIAMANT MM1018 in preloaded bolted connections
In steel construction, bolted connections are preloaded either for load-bearing capacity reasons or for serviceability reasons. Single and multi-section connections of wind turbines, offshore plants, bridges etc. are typical application examples. Gap formation, caused by imperfections due to fabrication and assembly, poses a risk e. g. for the controlled application of the required preload level as well as for the prevention of cavity corrosion. This can significantly impair the load-bearing capacity and the durability of the connection and even lead to a premature failure. Therefore, the formation of gaps must be kept to a minimum, whereby DIN EN 1090-2 provides possible measures such as the use of packing plates for this purpose. Two-component reaction resin systems based on epoxy resins, which are filled with special metallic materials to improve the mechanical properties, are a possible alternative for gap filling. Within the framework of the ZIM cooperation project “Bri-San-T - DuroFüllSta”, systematic investigations were carried out into the use of the gap-filling material MM1018 of the company Diamant Polymer GmbH for use in preloaded bolted connections. In this contribution, experimentally determined slip factors as well as the expected preload losses over the service life are presented and discussed.

Die in Bauwerken mit zyklischen oder nicht vorwiegend ruhenden Beanspruchungen eingesetzten Schraubverbindungen werden gezielt vorgespannt, um die Beanspruchbarkeit und Steifigkeit der Anschlüsse zu erhöhen. Die bereits nach der Montage in den geschraubten Verbindungen auftretenden Vorspannkraftverluste sind idealerweise bei der Bemessung und Ausführung der Konstruktion realistisch abzuschätzen und implizit zu berücksichtigen, damit die rechnerisch angesetzte Vorspannkraft während der Nutzungsdauer des Bauwerks in der Verbindung verbleibt. Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens 18711 BG “Vorspannkraftverluste ermüdungsbeanspruchter vorgespannter Schraubverbindungen” wurden hierzu systematische Untersuchungen an vorgespannten geschraubten Verbindungen der Kategorien B/C und E nach DIN EN 1993-1-8 vom Institut für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen (IML) in Kooperation mit der Fraunhofer-Einrichtung für Großstrukturen in der Produktionstechnik in Rostock (IGP) durchgeführt. Hierbei wurden Vorspannkraftverluste aus Setzen und infolge Ermüdungsbeanspruchung experimentell ermittelt und auf die geplante Lebensdauer logarithmisch extrapoliert. Die Untersuchungen erfolgten an M20-Schraubengarnituren mit verschiedenen Verbindungsmitteln/Anziehverfahren sowie Klemmlängenverhältnissen und Oberflächenausführungen der Prüfteile.

Losses of preload in bolted connections due to coated faying surfaces.
Bolted connections are preloaded to increase their resistance and stiffness. Preload losses during the lifetime of a structure might lead to loosening and consequently pose a risk to the serviceability or even the load capacity of the bolted connections. For this reason, the estimation of potential preload losses as well as their consideration during design and execution is an important issue. In the frame of the IGF research project 18711 BG “Loss of preload of fatigue loaded preloaded bolted connections” carried out by the Institute for Metal and Lightweight Structures (IML) of the University of Duisburg-Essen in cooperation with Fraunhofer Research Institution for Large Structures in Production Engineering (IGP), Rostock, systematic investigations were carried out on preloaded bolted connections of categories B/C and E according to EN 1993-1-8. Herein, preload losses due to setting and fatigue loading were experimentally determined, evaluated and extrapolated to the intended service life. The investigations were based on different types of M20 bolting assemblies, tightening methods as well as clamping length ratios and surface treatments.

Geschraubte gleitfeste Verbindungen werden traditionell im Stahl- und Anlagenbau immer dann eingesetzt, wenn Schlupf und Verformung in den geschraubten Anschlüssen minimiert werden müssen. Die derzeitige Prüfprozedur der DIN EN 1090-2, Anhang G ist auf das grundlegende Tragverhalten unter Laborbedingungen beschränkt. Seitens der Industrie treten wiederkehrend Fragestellungen auf, inwieweit fertigungs-, montage- und betriebsbedingte Einflüsse bei der Ausführung von gleitfesten Verbindungen zu berücksichtigen sind, da diese die Wirtschaftlichkeit dieser Verbindungsform beeinträchtigen. Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens Nr. 19749 BG “Einfluss von fertigungs- und montagebedingten Imperfektionen auf das Tragverhalten geschraubter gleitfester Verbindungen im Stahlbau” wurden systematische Untersuchungen an gleitfest vorgespannten Verbindungen der Kategorien B/C nach DIN EN 1993-1-8 vom Institut für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen (IML) in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik in Rostock (IGP) und dem Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH (IKS) durchgeführt. Hierbei wurden zunächst Referenzversuche ohne eingebrachte Imperfektionen vorgenommen und diese anschließend den Verbindungen mit künstlich hervorgerufenen Imperfektionen gegenübergestellt. Anhand der Versuchsergebnisse konnte der Einfluss verschiedener Imperfektionen auf das Tragverhalten gleitfester Schraubverbindungen im Stahlbau erfasst werden.

Slip-resistant connections with imperfections
Slip-resistant connections are traditionally used in steel and plant structures whenever slip and deformation in the bolted connections must be minimized. The current test procedure according to EN 1090-2, Annex G is limited to the basic load-bearing behaviour under laboratory conditions. For the industry, important questions are to which extent production-, assembly- and operation-related influences have to be considered in the design of slip-resistant connections, as they affect the economic efficiency of this type of connection. In the frame of the IGF research project 19749 BG “Influence of manufacturing- and assembly-related imperfections on the bearing behaviour of bolted slip-resistant connections in steel structures” carried out by the Institute for Metal and Lightweight Structures (IML) of the University of Duisburg-Essen in cooperation with Fraunhofer Institute for Large Structures in Production Engineering (IGP), Rostock and Institute for Corrosion Protection Dresden GmbH (IKS), systematic investigations into slip-resistant connections of categories B/C according to EN 1993-1-8 were carried out. Herein, reference tests were conducted without imperfections and then compared with connections with artificial imperfections. Based on the test results, the influence of different imperfections on the load-bearing behaviour of slip-resistant connections in steel construction could be determined.

Warmgefertigte Hohlprofile nach DIN EN 10210 werden derzeit in Europa hauptsächlich in Wanddicken bis 20 mm in der bei den Stahlhändlern in der Regel vorrätigen Güte S355J2H eingesetzt. Eine immer wieder kehrende Frage betrifft die Einsatzfähigkeit dieser Hohlprofile bei tiefen Temperaturen bedingt durch die in der Produktnorm festgelegte Prüftemperatur der Kerbschlagzähigkeit bei  - 20 °C: Ist ein Stahl der Güte S355J2H auch unterhalb von  - 20 °C Außentemperatur einsetzbar oder sollte aus Sicherheitsüberlegungen heraus lieber eine höherwertige Stahlgüte eingesetzt werden? Der vorliegende Beitrag beschreibt das Zähigkeitsverhalten von warmgefertigten Hohlprofilen auf der Basis experimenteller Untersuchungen und erläutert den Zusammenhang zwischen der in den Produktnormen geforderten Mindestzähigkeit bei definierter Prüftemperatur und dem bruchmechanisch basierten Sprödbruchkonzept der DIN EN 1993-1-10 zur Stahlgütewahl.

The use of hot-finished hollow sections with wall thicknesses up to 20 mm at low temperatures.
In Europe, hot-finished hollow sections according to DIN EN 10210 are mainly used with wall thicknesses up to 20 mm and steel grade S355J2H which is normally in stock at the steel suppliers. A recurring question concerns the usability of those hollow sections at low temperatures due to the test temperature of impact toughness at  - 20 °C set in the product standard: Is a steel grade S355J2H applicable below  - 20 °C service temperature, or should, by security considerations, rather a higher-quality steel be used? This paper describes the toughness behaviour of hot-finished hollow sections based on experimental studies and explains the relationship between the required impact toughness in the product standards at a defined test temperature and the fracture mechanics based concept for the choice of steel material of DIN EN 1993-1-10.

Durch die in den letzten Jahren enorm gestiegenen Verkehrsbelastungen und damit einhergehenden gestiegenen lokalen Beanspruchungen im Deckblech kommt es bei bestehenden Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten vermehrt zu Ermüdungsschäden im Bereich der geschweißten Anschlüsse der Längsrippen an das Deckblech (Kategorie-1-Schäden). Der vorliegende Beitrag gibt einen Überklick über existierende Verstärkungsmaßnahmen, die bereits in Pilotprojekten erprobt wurden sowie aktuelle Forschungsarbeiten zur Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit Kategorie-1-Schäden.

Retrofitting methods for orthotropic steel deck plates with category-1-damages.
Due to a high increase of traffic load during the last decades orthotropic steel deck plates show more and more fatigue damages in the welded connection between longitudinal stiffeners and steel deck plate (category-1-damages). This contribution gives an overview about existing retrofitting methods which have already been applied in pilot projects and currently investigates renovation techniques for retrofitting category-1-damages.

Hochfeste Schraubengarnituren des Systems HV werden in hochbeanspruchten Stahltragwerken als vorgespannte Verbindungen ausgeführt. Vermehrt werden diese Garnituren auch in großen Abmessungen bis M72 z. B. in Windenergieanlagen eingesetzt. Die Verbindungen werden demnach nicht nur statischen und dynamischen Lasten ausgesetzt, sondern auch tiefen Temperaturen. Bei sonst gleichen Randbedingungen gilt, dass die Sprödbruchgefährdung von Stahlbauteilen mit zunehmender Erzeugnisdicke steigt. Dies gilt prinzipiell auch für größer werdende Schraubendurchmesser. Da bislang keine systematischen Untersuchungen zur Bewertung der Sprödbruchneigung von HV-Schrauben großer Abmessungen existieren und die Werkstoffwahl zur Vermeidung von Sprödbruch von Schrauben nicht durch DIN EN 1993-1-10 abgedeckt ist, werden derzeit für größere Schraubendurchmesser höher legierte Stähle verwendet. Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens “Sprödbruch von hochfesten Schrauben großer Abmessungen bei tiefen Temperaturen” wurden systematische Untersuchungen zum Tieftemperaturverhalten von HV-Schrauben der Abmessungen M24 bis M64 durchgeführt, um die Sprödbruchgefährdung dieser Bauteile zu bewerten. Der Beitrag stellt die wichtigsten Untersuchungsergebnisse und Schlussfolgerungen des Forschungsvorhabens vor.

Brittle fracture of high-strength bolts of large diameters at low temperatures.
High-strength structural bolting assemblies of the system HV are executed as preloaded bolting assemblies in highly loaded steel structures. More often these bolting assemblies are used up to M72 e. g. in wind energy towers. In addition to static and fatigue loads, these connections are exposed to low temperatures. In case of equal boundary conditions, the risk of brittle fracture increases with increasing thickness of the steel material. In principle, this relation also applies to increasing bolt diameters. Since no systematic investigations into the tendency to brittle fracture of high-strength bolts with large diameter exist and the choice of steel material to avoid brittle fracture of high-strength bolts is not covered in EN 1993-1-10, high-strength bolts of large diameters are made of higher alloyed steels. In the frame of the IGF-project “Brittle Fracture of High-Strength Bolts of Large Diameters at Low Temperatures” systematic investigations into the low temperature behaviour of high-strength bolts of the system HV were carried out for bolt diameters from M24 to M64 to assess the risk of brittle fracture for these components. This article presents the main results and conclusions achieved in the research project.

Im Rahmen der Eurocode 3-Familie stellt die DIN EN 1993-1-10 den Teil dar, der für eine ausreichende Stahlsortenauswahl zur Vermeidung von Spröd- und Terrassenbruch anzuwenden ist. Die Regelungen der DIN EN 1993-1-10 sind nahezu identisch mit den bekannten nationalen Regelungen der DASt-Richtlinien 009 und 014, so dass sich für den Anwender nur geringfügige Änderungen ergeben. Die Stahlsortenwahl zur Vermeidung von Sprödbruch basiert auf einem bruchmechanischen Konzept, in dem die Bruchzähigkeit des Materials im eingebauten Zustand über eine Korrelation zu den in den Produktnormen angegebenen Kerbschlagzähigkeitsanforderungen in Verbindung gebracht wird. Die Norm ermöglicht drei Verfahren zur Nachweisführung, wobei im Regelfall der einfache Nachweis der Wahl der Stahlgüte durch den Vergleich der vorhandenen mit der maximal zulässigen Blechdicke mit Hilfe einer in der Norm enthaltenen Tabelle zum Tragen kommt. Der Nachweis einer ausreichenden Bruchzähigkeit in Dickenrichtung zur Vermeidung von Terrassenbruch kann prinzipiell über zwei Wege erfolgen: den traditionellen Weg nach DASt-Richtlinie 014 mit einer Bestimmung der erforderlichen Z-Güte vor Bestellung des Materials oder der Möglichkeit der zerstörungsfreien Prüfung der gefertigten Stahlbauteile im Hinblick auf Vorliegen von Terrassenbrüchen.

Choice of the steel grade according to DIN EN 1993-1-10.
As part of the Eurocode 3-family, DIN EN 1993-1-10 is responsible for sufficient selection of steel grades to avoid brittle fracture and lamellar tearing. The regulations of DIN EN 1993-1-10 are almost identical to the well known rules of the national DASt guidelines 009 and 014, so that there are only minor changes for the user. The choice of the steel grade to avoid brittle fracture is based on a fracture mechanics approach, in which the fracture toughness of the material considers a correlation to the notched impact strength requirements specified in the product standards. DIN EN 1993-1-10 allows three methods of verification, where normally the simple proof of the choice of permissible plate thickness using a standardized table comes into play. The proof of adequate fracture toughness in the through-thickness direction to avoid lamellar tearing can be done basically in two ways: the traditional way to DASt guideline 014 on the definition of a required Z-grade prior to ordering of the material or the possibility of testing the already fabricated steel components whether lamellar tearing has occurred.

Mit der Einführung des Eurocodes 3 und der DIN EN 1090-2 ist es in Deutschland unter anderem in Bezug auf die Ausführung von geschraubten Verbindungen in Stahltragwerken zu großen Verwirrungen gekommen. Diese beruhen im Wesentlichen - aber nicht nur - auf der Frage: Welches Vorspannkraftniveau darf bei welchem Verbindungstyp mit welchem Anziehverfahren angesetzt werden? Wo die Frage nach dem richtigen Anziehverfahren relativ schnell geklärt ist, da dieses über den Nationalen Anhang zur Bemessungsnorm für Stahlbauanschlüsse, der DIN EN 1993-1-8/NA, eindeutig an die Höhe des Vorspannkraftniveaus gekoppelt ist, führt die Frage nach dem “richtigen” Vorspannkraftniveau sowohl beim Tragwerksplaner als auch bei der ausführenden Stahlbaufirma immer wieder zu großen Diskussionen, da das in DIN EN 1090-2 angebotene Mindestvorspannkraftniveau Fp,C in Deutschland nur mit dem in der nationalen Praxis zwar durchaus bekannten, aber absolut unüblichen Kombinierten Vorspannverfahren aufgebracht werden darf. Alternativ dazu wurde in DIN EN 1993-1-8/NA das niedrigere “alte” deutsche Regelvorspannkraftniveau Fp,C* mit Ausführungsregeln zum Anziehen mittels des modifizierten Drehmoment-Vorspannverfahrens wieder definiert. Weitere praxisrelevante Fragestellungen betreffen exemplarisch das Anziehen von nicht vorgespannten Schraubverbindungen und den Einsatz von nicht CE-gekennzeichneten Komponenten einer CE-gekennzeichneten Schraubengarnitur. Im Rahmen des vorliegenden Beitrags werden diese und weitere Fragestellungen zum Anziehen von geschraubten Verbindungen im Stahlbau zusammenfassend beantwortet.

Tightening of bolted connections according to Eurocode 3 and DIN EN 1090-2.
With the introduction of Eurocode 3 and DIN EN 1090-2, great confusions arise in Germany regarding the execution of bolted connections in steel structures. This is based essentially - but not exclusively - on the question: which preload level may be applied in which connection type with which tightening procedure? Where the question of the correct tightening procedure is resolved relatively quickly, since this is clearly linked via DIN EN 1993-1-8 / NA at the height of the applied preload level, yields the question of the “correct” preload level for both the structural engineer and the executive steel construction company to major discussions since DIN EN 1090-2 offers the minimum preloading force Fp,C which is allowed to be applied in Germany only by the - although known, but absolutely unusual - combined method. Alternatively, the lower “old” German preloading force Fp,C* is defined in DIN EN 1993-1-8 / NA with execution rules for the modified torque method. Other practical questions relate to the tightening of non-preloaded bolts and the use of non CE-marked components of a CE-marked bolt assembly. As part of this paper, these and other issues for the tightening of bolted connections in steel structures are answered.

Herrn Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. Herbert Schmidt zur Vollendung seines 80. Lebensjahres gewidmet
Vorgespannte geschraubte Verbindungen aus nichtrostendem Stahl sind derzeit normativ nicht zulässig. Dennoch besteht der Wunsch seitens der Bauausführenden, in Spezialfällen diese Art von Verbindungen tragsicherheitsrelevant oder auch nur aus Gebrauchstauglichkeitsgründen auszuführen. Gemeinhin wird den vorgespannten Verbindungen aus nichtrostendem Stahl unterstellt, dass sie sehr hohen Vorspannkraftverlusten infolge Relaxieren und Kriechen der Schrauben und Kriechen des Klemmpaktes unterliegen, weshalb die tatsächlich in der Verbindung verbleibende Vorspannkraft nicht abschätzbar sein soll. Im Rahmen des europäischen RFCS-Forschungsvorhabens SIROCO laufen derzeit umfangreiche Untersuchungen zum Anzieh- und Vorspannverhalten von geschraubten Verbindungen aus nichtrostenden austenitischen und Duplex-Stählen zum Einsatz in gleitfesten Verbindungen aus ebenfalls nichtrostenden Stählen. Erste Ergebnisse aus diesem Vorhaben zeigen, dass ein gezieltes Anziehen solcher Verbindungen durchaus möglich ist, dass die Vorspannkraftverluste infolge Relaxieren bei Weitem nicht so hoch sind wie vermutet und dass das Fressen der Verbindungen bei geeigneter Werkstoffpaarung und Wahl des Schmiermittels durchaus zu vermeiden ist. Der vorliegende Beitrag soll erste Einblicke in die vorliegenden Ergebnisse des derzeit noch laufenden Vorhabens geben.

Insight into the preloading behaviour of bolted assemblies of stainless steel.
Preloaded bolted assemblies made of stainless steel are currently not permitted. Nonetheless, the wish of the construction industry exists to carry out these types of connections in special cases for ultimate or serviceability limit state reasons. Generally, preloaded bolted assemblies made of stainless steel are presumed to be subjected to very high preload losses due to relaxation and creep of the bolts and creep of the clamping packages, which is why the actual preloading force remaining in the connection is assumed not to be estimable. Within the scope of the European RFCS research project SIROCO, extensive investigations are currently being conducted on the tightening and preloading behaviour of bolted assemblies made of austenitic and duplex stainless steels. First results from this project show that a targeted attraction of such compounds is quite possible and that the preload losses due to relaxation are far from being as high as presumed. Furthermore, galling of the connections can be avoided by choosing suitable material pairings and lubricants. The present paper will provide an initial insight into the results of the still ongoing project.

Die Verwendung von vorgespannten Schraubverbindungen aus nichtrostendem Stahl ist in vielen Sonderfällen aus Gründen der Gebrauchstauglichkeit oder der Tragfähigkeit wünschenswert, z. B. beim Einsatz in besonders korrosiver Umgebung oder in Konstruktionen aus nichtrostendem Stahl. Die Verwendung von Schraubengarnituren aus nichtrostendem Stahl ist jedoch aus mehreren Gründen durch DIN EN 1090-2 auf nicht vorgespannte Verbindungen beschränkt. Ressentiments bestehen nach wie vor gegenüber dem Einsatz in vorgespannten Verbindungen aufgrund befürchteter hoher Vorspannkraftverluste sowie der Problematik des Kaltverschweißens (Fressen). Darüber hinaus existieren am Markt derzeit keine Garnituren analog zur Normenreihe DIN EN 14399, welche seitens des Herstellers auf die Eignung zum Vorspannen geprüft werden und auch eine entsprechende kalibrierte Schmierung aufweisen. DIN EN 14399-1 ist zudem auf den Einsatz von Schrauben aus Kohlenstoffstahl beschränkt, sodass auch hier normativ eine Verfahrensprüfung für den Einsatz durchzuführen ist. Der vorgestellte Beitrag soll einen Einblick in die Möglichkeiten der Verwendung von Schraubverbindungen aus nichtrostendem Stahl in vorgespannten Verbindungen im Allgemeinen und in gleitfesten Verbindungen im Speziellen geben. Ferner wird dem Anwender eine Hilfestellung und ein Leitfaden für das Vorgehen innerhalb einer Verfahrensprüfung durch die “Bolt Tightening Qualification Procedure” (BTQP) als Ergänzung zu den Regelungen der DASt-Richtlinie 024 gegeben.

Preloaded bolted connections made of stainless steel
The application of preloaded bolted connections made of stainless steel is demanded in reasons of serviceability or ultimate limit state, e. g. when used in particularly corrosive environments or in stainless steel structures. However, based on EN 1090-2 the use of bolting assemblies made of stainless steel is restricted to non-preloaded bolted connections for several reasons. Resentment still exists against the application of stainless steel bolting assemblies in preloaded connections due to the expected high preload losses and the problem of cold welding (“seizure”). In addition, there are currently no bolting assemblies available on the market comparable to the DIN EN 14399 standards, which are tested by the manufacturer for suitability for preloading including the application of a calibrated lubrication. The main product standard for high-strength structural bolting assemblies for preloading of bolted connections in steel structures, EN 14399-1, is also limited to the application of bolts made of carbon steel, so that the use is also restricted there. Consequently, procedure tests must be carried out for every application scenario. The presented contribution shall give an insight into the possibilities of the application of stainless steel in preloaded bolted connections in general, and in slip-resistant connections in particular. In addition, assistance and guidance for the approach within a procedure test is given by the “Bolt Tightening Qualification Procedure (BTQP)” as a supplement to the regulations of the DASt-Guideline 024.

DIN EN 1090-2 und DIN EN 1993-1-8/NA legen Anziehverfahren für mutterseitig vorgespannte geschraubte Garnituren bei Einfachverwendung derselben fest. In einer Vielzahl von Anwendungsfällen werden allerdings vorgespannte geschraubte Verbindungen eingesetzt, die exemplarisch kopfseitig angezogen, als Sacklochverbindung ausgeführt oder/und mehrfach verwendet werden sollen. In diesen Fällen ist eine Verfahrensprüfung zur Bestimmung der Anziehparameter erforderlich. Der vorliegende Beitrag beschreibt die prinzipielle Vorgehensweise zur Durchführung einer solchen Verfahrensprüfung und geht insbesondere auf die Zielebene des Vorspannens, die Einschraubtiefe bei Bauteilen mit Innengewinden, die Einfach- und Mehrfachverwendung von Komponenten sowie die Grenzkriterien zur Bestimmung der Anziehparameter ein. Ferner wird das Vorgehen anhand von Praxisbeispielen erläutert.

Procedure qualification for the determination of tightening parameters for preloaded bolted connections.
DIN EN 1090-2 and DIN EN 1993-1-8/NA define tightening procedures for preloaded bolted assemblies tightened at the nut side by simple use thereof. However, in a multitude of applications, preloaded bolted connections are used, which for example are tightened on the head side, designed as tapped hole connections and/or are to be used several times. In these cases, a procedure test is necessary to determine the tightening parameters. The present paper describes the principal procedure for carrying out such a procedure test, in particular the target level of preloading, the length of thread engagement for components with internal threads, the single and multiple use of components, and the boundary criteria for determining the tightening parameters. Furthermore, the procedure is explained using practical examples.

Beim Lichtbogenbolzenschweißen wird ein stiftförmiges Verbindungselement mit oder ohne Gewinde mittels eines Lichtbogens mit einem Bauteil verbunden. Verwendet werden in der Regel Verbindungsmittel wie Stifte, Buchsen und Bolzen mit Gewinde. Während des Schweißprozesses wird ein Lichtbogen an der Stirnfläche des zu verschweißenden Bolzens gezündet, wodurch sowohl die Stirnfläche des Bolzens als auch das Werkstück lokal angeschmolzen und unter einem definierten Anpressdruck zusammengefügt werden. Unterschieden wird zwischen zwei Verfahren der Schweißung, dem Lichtbogenbolzenschweißen mit Hub- oder mit Spitzenzündung.
Das Merkblatt DVS 0904 des Deutschen Verbands für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. (DVS) gibt neben den Regelungen zum Lichtbogenschweißen von metallischen Werkstoffen der DIN EN ISO 14555 weiterführende Hinweise zum Lichtbogenbolzenschweißen für die Praxis. Für das Bolzenschweißen werden unter anderem Anweisungen für die Schweißvorbereitung, die Ausführung und die Prüfung der Bolzenschweißung gegeben. Darüber hinaus liefert das Merkblatt aber auch Angaben zur Montage und damit zur Verschraubung sowie zur Zugprüfung von aufgeschweißten Gewindebolzen. Diese Angaben betreffen das Montagedrehmoment und die resultierende Montagevorspannkraft, die auf Annahmen zu Reibbeiwerten beruhen, welche bisher nicht durch Versuche gestützt wurden. Im Zuge der Überarbeitung des Merkblatts DVS 0904 sollten diese Angaben überprüft und angepasst werden, weshalb experimentelle Untersuchungen an aufgeschweißten Gewindebolzen am Institut für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen durchgeführt wurden. Diese Untersuchungen und deren Ergebnisse werden im vorliegenden Beitrag als Hintergrundinformationen zu den in der überarbeiteten DVS 0904 ausgewiesenen Anziehdrehmomenten dargestellt und erörtert.

Tightening of arc welded studs according to the technical bulletin DVS 0904.
Within the process of arc stud welding, a pen-shaped threaded or non-threaded stud is connected to a steel component. During the process the two components bolt and steel component are locally melted by an arc and then plunched together. The process of arc stud welding can be divided into arc stud welding with a drawn arc or with condenser discharge. The technical bulletin DVS 0904 of the German Welding Society (DVS) gives next to the rules for arc stud welding in EN ISO 14555 further references for arc stud welding in practical use. Beside rules and references for welding preparation, execution and controlling of arc stud welding, DVS 0904 gives further information on tightening and tensile testing of the installed studs. The given tightening torque and bolt force values for different stud diameters and materials are based on assumptions for coefficients of friction, which were not determined by tightening tests. In the frame of the revision of DVS 0904 these assumptions should be checked. For this reason tightening tests were performed at the Institute for Metal and Lightweight Structures of University of Duisburg-Essen. The experimental investigations and their results are presented as background information for the revision of DVS 0904 within this contribution.

According to EN 1090-2, steel components have to be identifiable and traceable throughout the whole production chain. The choice of identification method is not specified consistently in international rules and standards. In terms of durability and liability, markings should be resistant to particular fabrication processes such as sandblasting, hot-dip galvanizing or coating. The methods are hard stamping, scribing, plasma marking and needling. The effect of the notch caused by the marking process on the fatigue strength of the components has not yet been investigated in detail. As a result, a classification of the notch details in the European detail categories of EN 1993-1-9 is, in principle, impossible. For these reasons, the influence of durable marking methods on the fatigue strength of steel components needs to be clarified by experimental fatigue tests currently being performed at the Institute for Metal and Lightweight Structures, University of Duisburg-Essen. Part of this investigation involves examining the different surface conditions of hard-stamped, scribed, plasma-marked and needled specimens. The experimental investigations are being carried out considering two different steel grades, S355J2 and S460N, and three different steel plate thicknesses, 15, 25 and 40 mm.

Preloaded bolting assemblies made of stainless steel are currently not permitted in steel structures due to the unknown viscoplastic deformation behaviour as well as the unknown tightening behaviour and tightening procedures for these kinds of bolting assemblies. Nonetheless, the construction industry wishes to carry out these types of connections in special cases, e.g. when special requirements exist with regard to corrosion resistance or for architectural reasons. Generally, the tightening behaviour of carbon steel HR and HV bolting assemblies according to EN 14399-3 and -4 cannot simply be transferred uncritically to stainless steel bolting assemblies due to several reasons. Within the scope of the European RFCS research project SIROCO, extensive investigations are currently being conducted on the tightening and preloading behaviour of EN ISO 4014 and EN ISO 4017 bolting assemblies made of austenitic and duplex stainless steels. First results from this project show that a targeted tightening of such assemblies is in principle possible. Specified preloading levels, e. g. Fp, C* and Fp, C, can be achieved with sufficient reliability using suitable lubricants. Herewith, it is possible to define feasible tightening procedures. Furthermore, it could be shown that these bolting assemblies show sufficient ductility and galling of the assemblies can be for sure avoided. The present paper provides an initial insight into the results of the project.

Schalentragwerke aus nichtrostenden Stählen werden z. B. in Tankbauwerken und Biogasanlagen eingesetzt. Sie sind vollständig recycelbar, bedürfen keines Korrosionsschutzes und sind somit besonders wertvoll im Hinblick auf Umweltschutz und Umweltverträglichkeit. Die Bemessung dieser Schalen im Hinblick auf ihre Beultragfähigkeit ist allerdings nach den üblichen Regelwerken, wie DIN EN 1993-1-6, aufgrund des ausgeprägten nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens der nichtrostenden Stähle nur begrenzt durchführbar. Aus diesem Grund wurden seinerzeit zusätzliche temperatur- und schlankheitsabhängige Beulreduktionsfaktoren für axialgedrückte Kreiszylinderschalen aus nichtrostenden austenitischen Stählen von Schmidt und Hautala entwickelt. Die Übertragbarkeit dieser Beulreduktionsfaktoren auf Schalentragwerke aus nichtrostenden ferritischen und Duplex-Stählen wird im Rahmen des europäischen RFCS-Forschungsvorhabens BiogaSS mit Hilfe von experimentellen, numerischen und theoretischen Untersuchungen überprüft. Die Ergebnisse sollen Eingang in die Überarbeitung der DIN EN 1993-1-6 finden.

Experimental load bearing behaviour of axially compressed cylinders made of ferritic and duplex stainless steels.
Shell structures made of stainless steels are used e. g. in tank structures and biogas plants. They are fully recyclable, do not need any corrosion protection and therefore, they are valuable in terms of environmental protection and environmental compatibility. However, the design of these shells with regard to their buckling resistance is limited according to DIN EN 1993-1-6 due to the non-linear stress-strain-behaviour of stainless steels. For this reason, additional temperature and slenderness dependent buckling strength reduction factors for axial loaded cylindrical shells made of austenitic stainless steels were already developed by Schmidt and Hautala. The transferability of these buckling strength reduction factors on shell structures made of ferritic and duplex stainless steels will be reviewed in the context of the European RFCS research project BiogaSS by means of experimental, numerical and theoretical studies. The results shall be incorporated in the revision of DIN EN 1993-1-6.

Der Ausbau Erneuerbarer Energien in Deutschland ist politisch verankert. Insbesondere unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit spielen die zugehörigen baulichen Anlagen eine wichtige Rolle. Bewertungssysteme zur Nachhaltigkeitsquantifizierung von baulichen Anlagen existieren zwar auf dem Gebäudesektor, jedoch nicht ausreichend für die Anwendung bei Ingenieurbauwerken. Im Zuge einer nachhaltigen Energieversorgung liegt es nahe, Nachhaltigkeitsaspekte bereits während der Planung und Ausführung von Anlagen zur Gewinnung Erneuerbarer Energien zu berücksichtigen. Der Beitrag behandelt die Entwicklung einer Methodik zur Nachhaltigkeitsbewertung von tragenden Stahlkonstruktionen Erneuerbarer Energien. Die Anwendung der Methodik erfolgt exemplarisch im Rahmen einer ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung am Beispiel eines Baustahlfermenters einer Biogasanlage. Die entwickelte Methodik erlaubt einen Vergleich unterschiedlicher Bauweisen und Ausführungsvarianten in Bezug auf nachhaltigkeitsbezogene Gesichtspunkte und dient als Entscheidungshilfe unter Berücksichtigung von Anforderungen an eine nachhaltige Bauweise.

Sustainability assessment for load carrying steel constructions of renewables - Development of methods and application examples.
The upcoming installation of renewables in Germany is already politically established. Especially under consideration of sustainability aspects, the structural systems of renewables are very important. Rating systems for sustainability exist only for buldings but not sufficient for application in structural engineering. For a sustainable energy supply sustainability aspects should be considered during design and execution of structures of renewables. This article addresses the development of methods for sustainability assessment of load carrying steel structures of renewables. The described method is applied exemplary for the environmental sustainabilty assessment of a steel digester of a biogas power plant. With the help of the sustainability rating system, different construction methods can be compared under consideration of sustainability aspects. Furthermore, the method can be utilized as a help for a decision in order to fulfill sustainability requirements.

Stainless steel material is a suitable choice for modern steel constructions as it has a high resistance to corrosion combined with high material strength and ductility. Furthermore, its use leads to significant reductions in maintenance. In this frame, bolted connections made of stainless steel components become more and more important to enhance the application of stainless steel not only to small parts of steel structures but also to complex structures. Whereas non preloaded stainless steel bolted connections are already widely used, according to EN 1090-2, the application of preloaded stainless steel bolting assemblies is not allowed unless otherwise specified. If they shall be used, they shall be treated as special fasteners and a procedure test is mandatory. Also EN 1993-1-4 requires that their acceptability in a particular application has to be demonstrated from test results. These restrictions are mainly caused by two facts: firstly, the viscoplastic deformation behaviour of stainless steel which might result in not negligible preload losses in the bolting assemblies themselves and secondly, the gap of knowledge regarding suitable tightening parameters and procedures for stainless steel bolting assemblies to secure a required preload in the bolting assemblies and to avoid galling. To solve these questions, research activities have been carried out in the frame of the European RFCS-research project “Execution and reliability of slip resistant connections for steel structures using CS and SS” SIROCO. The present contribution gives an initial insight into the viscoplastic deformation behaviour of stainless steel bolting assemblies which were achieved in SIROCO which shows that preloaded bolted stainless steel connections can be treated similar to those made of carbon steel.

The use of stainless steel components can lead to a significant reduction of maintenance costs compared to a structure executed in carbon steel. Because of its high material strength, ductility and corrosion resistance stainless steels are becoming more and more popular as a construction material in both building and civil engineering structures. Consequently slip-resistant bolted connections made of stainless steel are becoming more important. Slip-resistant bolted connections are used in joints where slip is not acceptable (because they are subject to reversal of shear load or any other reason) or in joints that are subject to cyclic shear load (to improve the fatigue class of the connecting plates). Existing design codes/standards do not specify slip factors for surface treatments of stainless steel grades, the minimum values of slip factors for common surface treatments/coatings that are specified in EN 1090-2 are exclusively valid for carbon steels. One of the reasons for this is that stainless steel alloys are thought to suffer more than carbon steels from time dependent behaviour (creep and relaxation) at room temperature. This could lead to higher preload losses and consequently to lower slip factors than used for carbon steels with comparable surface treatment. However, no evidence of this can be found in literature. Creep and relaxation are stress dependant phenomena and the stresses in the components of preloaded bolted connections are locally highly non-uniform. Therefore, slip factors of different stainless steel grades have to be determined by experiments to investigate the effects of time dependant material behaviour. In this paper the results of slip factor tests on four stainless steel grades are presented and the influence of surface treatments and the preload level on the slip factor of stainless steel slip-resistant connections is discussed.

Slip-resistant connections are always used when slip and deformation in a bolted connection must be avoided at all costs, e.g. in radio masts and bridges. For some popular surface treatments, slip factors are given in EN 1090-2, the execution standard for steel structures. For those surface conditions not considered in EN 1090-2, the slip factor can be determined experimentally according to Annex G of EN 1090-2. By reviewing slip factor values obtained with the Annex G test procedure and reported in the literature, it becomes obvious that in most cases the slip factors achieved experimentally are not comparable for identical surface conditions. This is potentially caused by different interpretations of the Annex G slip test procedure. As the slip factor is one of the main parameters influencing the bearing capacity of slip-resistant connections, its determination should be on the safe side and not dependent on the various interpretation possibilities of the test procedure itself. For this reason, the optimization of the Annex G test procedure was thoroughly investigated in the European RFCS research project SIROCO, with the final objective being to enhance its reliability. The focus was on investigating the various test parameters such as type of preload measurement, ascertaining the possible slip planes, test speed, position of slip measurement, clamping length, preload level, evaluation of critical slip load and the performance of the extended creep test. The results achieved in these investigations have already been partly implemented in the revision of the current draft version of EN 1090-2.

Schraubenverbindungen im Turm- und Mastbau werden immer dann als gleitfest vorgespannte Verbindungen der Kategorien B oder C nach DIN EN 1993-1-8 ausgeführt, wenn die Verformungen und der Schlupf in den Verbindungen minimiert werden müssen, wie zum Beispiel bei Funkmasten und Türmen von Windenergieanlagen. Wesentliche Einflussparameter auf die Tragfähigkeit einer gleitfesten Verbindung sind die Höhe der Vorspannkraft in den Schrauben und die Reibeigenschaften der gepaarten Oberflächen - beschrieben durch die Haftreibungszahl. Ein möglichst hoher und über die Lebensdauer der Struktur garantierter Gleitwiderstand ist wünschenswert, um die Anzahl der Schrauben und die Flächen der aufwändig und damit kostenintensiv herzustellenden Verbindungen gering zu halten und der Forderung der Industrie nach wartungsfreien Verbindungen nachzukommen. Aus diesen Gründen erfolgen derzeit umfangreiche Untersuchungen zur Ermittlung der Haftreibungszahl gleitfester Verbindungen auf Basis der DIN EN 1090-2 im Rahmen des europäischen RFCS-Forschungsvorhabens SIROCO unter Berücksichtigung unterschiedlicher Vorspannkraftniveaus und Beschichtungsarten, die im vorliegenden Beitrag auszugsweise am Beispiel von Alkali-Zink-Silikat beschichteten und spritzverzinkten gleitfesten Oberflächen vorgestellt werden.

Slip-resistant connection in towers and masts - testing and coating.
Bolted connections in towers and masts are executed as slip-resistant connections of categories B or C according to EN 1993-1-8 when deformations and slip have to be minimized, e. g. in radio masts and towers of wind turbines. The load bearing capacity of slip-resistant connections is mainly influenced by the level of preloading in the bolts and the friction of the faying surfaces - described by the slip factor. The highest possible and over the service life of the structure guaranteed slip resistance is desirable in order to keep the number of bolts and the faying surfaces of the complex and therefore expensive connections low and to meet the demand of the industry for maintenance-free connections. For these reasons, at present, extensive studies on the determination of the slip factor of slip-resistant connections on the basis of EN 1090-2 are carried out as part of the European RFCS research project SIROCO taking into account different preloading levels and coating types. Within the present contribution, first results are presented for alkali zinc silicate coated and zinc spray metallized faying surfaces.

Das Zug-/Abschertragverhalten von Schrauben aus nichtrostendem Stahl wird wesentlich durch ihre spezifischen Materialeigenschaften (Nichtlinearität, Kaltverfestigung) beeinflusst. In der Bemessung wird dies allerdings derzeit nur bedingt berücksichtigt. Im Wesentlichen erfolgt die Bemessung nach DIN EN 1993-1-4 auf Basis von Regelungen der DIN EN 1993-1-8, die für Schrauben aus Kohlenstoffstahl hergeleitet wurden. Auf nationaler Ebene wurden bereits die Abschertragfähigkeiten von nichtrostenden austenitischen Schrauben basierend auf wenigen Untersuchungen abweichend bemessen. Für nichtrostende Duplex-Schrauben gab es bisher gar keine spezifischen Regelungen. Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens Nr. 20651 N “Entwicklung normativer Grundlagen zum Tragverhalten von zugbeanspruchten Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem austenitischen und austenitischen-ferritischen (Duplex-)Stahl M12 bis M36” wurden erstmalig systematisch experimentelle und numerische Untersuchungen sowie statistische Bewertungen nach DIN EN 1990 zur Zug-, Abscher- und kombinierten Zug-/Abschertragfähigkeit von Schrauben aus nichtrostendem Stahl durchgeführt. Die Ergebnisse sind aktuell in die Revision der EN 1993-1-4 eingeflossen. Zusätzlich wurde das Lochleibungstragverhalten von Blechen aus nichtrostendem Stahl untersucht. Letztendlich führen die neuen Regelungen zu einer wirtschaftlicheren Bemessung geschraubter Verbindungen aus nichtrostendem Stahl.

New design rules for bolted connections made of stainless steel
The tensile/shear behaviour of stainless steel bolts is significantly influenced by their specific material properties (non-linearity, strain hardening). However, this is currently only taken into account to a limited extent in the design. Essentially, the design according to EN 1993-1-4 is based on regulations of EN 1993-1-8, which were derived for bolts made of carbon steel. At national level, the shear capacities of stainless austenitic bolts have already been designed differently, based on a few investigations. For duplex stainless bolts, there have been no specific regulations at all so far. Within the framework of the IGF research project no. 20651 N “Development of a normative basis of the load bearing capacity of bolted connections loaded in shear and tension made of austenitic and austenitic-ferritic (duplex) stainless steel M12 to M36”, experimental and numerical investigations as well as statistical evaluations according to EN 1990 on the tensile, shear and combined tensile-shear load-bearing capacity of bolts made of stainless steel were carried out systematically for the first time. The results have currently been implemented into the revision of EN 1993-1-4. In addition, the bearing resistance of stainless steel plates was investigated. Ultimately, the new regulations lead to a more economical design of bolted connections made of stainless steel.

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