Slip-resistant connections made of carbon and stainless steel

Slip-resistant connections are always used when slip in a connection will endanger the serviceability or the slip resistance is used for ultimate limit reasons. Hence, slip-resistant connections shall be designed to prevent slip in bolted connections. Different guidelines/standards specify slip factors for common surface conditions. For deviating surface conditions, the slip factor shall be determined experimentally. However, practice shows that in many cases the given slip factors are not comparable for the same surface condition.

Furthermore, the available slip factors are valid for slip-resistant connections made of carbon steel. Currently there is no guideline or standard which prescribes a classification for slip-resistant connections made of stainless steel. Stainless steel alloys suffer more from viscoplastic deformations in comparison to carbon steel. For this reason, there have historically been a number of concerns about the use of stainless steel in preloaded bolted connections. Having more viscoplastic deformations might lead to higher losses of preload in stainless steel bolts and consequently may influence the slip-resistant behaviour of the connection. Moreover, a suitable slip factor shall be determined experimentally for each common surface condition. Currently, different test procedures for the determination of slip factors exist. However, in several cases the test procedure is not clear in detail and allows several possible interpretations. This can lead to incomparable results for identical surface preparations. Besides all these parameters, there are still many others which may influence the determination of the slip factor process.

Therefore, a comprehensive investigation was conducted in the European Research Project SIROCO (RF SR-CT-2014-00024) to close the still existing gaps in knowledge in this area. In the frame of this study, the influence of different parameters on the slip-resistant behaviour of bolted connections was investigated. Furthermore, the relaxation behaviour of preloaded bolted connections made of stainless steel was also investigated. A comprehensive experimental investigation was conducted in order to provide a classification for slip-resistant connections made of stainless steel.

In addition, an alternative method for preparing the faying surfaces of slip-resistant connections was developed in order to reduce the preparation time and cost on the one hand, and on the other to significantly improve the slip-resistant behaviour of the connections. A comparative study was then conducted to check the comparability of the results according to EN 1090‑2, Annex G; and RCSC, Appendix A. Finally, a simplified test specimen geometry was developed based on the EN 1090‑2, Annex G standard test specimen geometry in order to reduce the testing costs for the determination of slip factors.

Gleitfeste Verbindungen werden immer dann eingesetzt, wenn Gleiten in einer Verbindung die Gebrauchstauglichkeit gefährdet oder der Gleitwiderstand aus Tragfähigkeitsgründen erforderlich ist. Daher sind gleitfeste Verbindungen so auszulegen, dass ein Gleiten in Schraubverbindungen verhindert wird. Verschiedene Richtlinien/Normen spezifizieren die Haftreibungszahl für gebräuchliche Oberflächen­bedingungen. Für davon abweichende Oberflächenbedingungen muss die Haftrei­bungs­zahl experimentell bestimmt werden. Die Praxis zeigt jedoch, dass dabei in vielen Fällen die Haftreibungszahlen für die gleiche Oberflächenbeschaffen­heit nicht vergleichbar sind.

Darüber hinaus sind die verfügbaren Haftreibungszahlen nur gültig für gleitfeste Verbindungen aus Kohlenstoffstahl. Derzeit gibt es keine Richtlinie oder Norm, die eine Klassifizierung für gleitfeste Verbindungen aus nichtrostendem Stahl angibt. Nichtrostende Stähle leiden im Vergleich zu Kohlenstoffstahl stärker unter visko­plastischen Verformungen. Aus diesem Grund gab es in der Vergangenheit eine Reihe von Bedenken gegenüber der Verwendung von nichtrostendem Stahl in vorge­spannten Schraubverbindungen. Größere viskoplastische Verformungen können bei Schrauben aus nichtrostendem Stahl zu höheren Vorspannkraftverlusten führen und somit das Gleitverhalten der Verbindung beeinflussen. Darüber hinaus ist eine geeignete Haftreibungszahl für jede übliche Oberflächenbeschaffenheit experimentell ermittelt werden. Derzeit existieren verschiedene Prüfverfahren zur Bestimmung von Haftreibungszahlen. In einigen Fällen ist das Prüfverfahren jedoch im Detail nicht eindeutig und lässt mehrere Interpretationsmöglichkeiten zu. Dies kann bei identischen Oberflächenvorbereitungen zu nicht vergleichbaren Ergebnissen führen. Neben all diesen Parametern gibt es noch weitere Parameter, welche die Bestimmung der Haftreibungszahl beeinflussen können.

Deshalb wurde im Rahmen des europäischen Forschungsvorhabens SIROCO (RFSR-CT-2014-00024) eine umfassende Untersuchung durchgeführt, um bestehende Fragen zu beantworten und die Wissenslücke in diesem Bereich zu schließen. Im Rahmen dieser Studie wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf das Gleitverhalten von Schraubverbindungen untersucht. Darüber hinaus wurde auch das Relaxationsverhalten von vorgespannten Schraubverbindungen aus nichtrostendem Stahl untersucht und eine umfassende experimentelle Untersuchung zur Klassifizierung von gleitfesten Verbindungen aus nichtrostendem Stahl durchgeführt.

Über diese Arbeiten hinaus wurde eine alternative Methode zur Vorbereitung der Kontaktflächen entwickelt, um einerseits die Vorbereitungszeit und -kosten zu reduzieren und andererseits das Gleitverhalten der Verbindungen deutlich zu verbessern. Letztendlich wurde eine Studie durchgeführt, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse gemäß EN 1090-2, Anhang G und RCSC Anhang A zu überprüfen. Abschließend wurde eine vereinfachte Versuchskörpergeometrie in Anlehnung an die Standard- Versuchskörpergeometrie nach EN 1090‑2, Anhang G entwickelt, um die Prüfkosten für die Bestimmung der Haftreibungszahl zu reduzieren.

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Afzali, N., 2021. Slip-resistant connections made of carbon and stainless steel. https://doi.org/10.17185/duepublico/74097
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