Loss of preload in bolted connections due to typical coating systems for steel structures
Bolted connections can be preloaded either to ensure the structural safety or to improve the serviceability e.g. by minimizing the slip or by increasing the deformation stiffness. According to DASt-Guideline 024, target level I of preloading and target level II of preloading can be distinguished.
A design of bolted connections with target level II of preloading is carried out without consideration of the actual amount of preload. However, the preloading force is directly included in the design verification for connections of target level I, so that the nominal value of preloading force should not only be reliably achieved during the tightening of a connection, but a sufficient level of preloading force considering the resulting preload losses must be ensured over the service life of the structure. A special type of connections with target level I of preloading is represented by the slip-resistant connections, which performance mainly relies not only on the level of preload, but also on the associated slip factor. The determination of the latter can currently be carried out considering the test procedure acc. to EN 1090-2, Annex G.
A sufficient design and execution of low-maintenance connections depend on the knowledge of several influencing factors, such as the reliability of different tightening methods with the associated system reserves and/or the estimated loss of preload over the service life. Since an assessment of potential preload losses is only possible to a very limited extent according to the current state of the art in steel construction, a development of suitable verification methods is necessary. Furthermore, recommendations with regard to the execution of slip-resistant connections considering practical boundary conditions are desirable in order to assess their possible influence on the slip resistance.
A comprehensive investigation was carried out in order to address the gap in the knowledge that currently exists for preloaded bolted connections. Herein, practically applicable solutions for a sufficient design and execution of low maintenance preloaded bolted connections in steel construction are provided based on the carried out estimation of the remaining preload level over the service life. Furthermore, an updated test procedure for the determination of preload losses is proposed. Finally, supplementary recommendations for the execution of slip-resistant connections regarding the practical boundary conditions are formulated.
Geschraubte Verbindungen werden entweder zur Sicherstellung der Tragfähigkeit oder zur Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit vorgespannt. Bei Verbindungen der Zielebene I des Vorspannens nach DASt-Richtlinie 024 geht die Höhe der Vorspannkraft direkt in den rechnerischen Nachweis ein, so dass beim Vorspannen der Verbindung nicht nur der Nennwert der Vorspannkraft zuverlässig erreicht werden soll, sondern auch ein ausreichendes Vorspannkraftniveau hinsichtlich der potentiellen Vorspannkraftverluste über die komplette Lebensdauer sichergestellt werden muss. Zusätzlich zur Höhe der Vorspannung wird das Tragverhalten einer gleitfesten Verbindung (ebenfalls Zielebene I des Vorspannens) hauptsächlich durch die Haftreibungszahl beeinflusst, deren Bestimmung aktuell experimentell mittels eines Prüfverfahrens nach DIN EN 1090-2, Anhang G erfolgen kann. Die Bemessung von Schraubenverbindungen, welche rein aus Gebrauchstauglichkeitsgründen vorgespannt wurden (Zielebene II des Vorspannens nach DASt-Richtlinie 024), erfolgt vorspannungsfrei.
Die Kenntnis von verschiedenen Einflussfaktoren wie die Zuverlässigkeit des eingesetzten Anziehverfahrens mit den damit verbundenen Systemreserven und/oder das Ausmaß der potentiellen Vorspannkraftverluste sind zur Bemessung und Ausführung von wartungsarmen Verbindungen vorausgesetzt. Da eine Abschätzung potentieller Vorspannkraftverluste nach dem derzeitigen Stand der Technik im Stahlbau sehr eingeschränkt möglich ist, ist eine Entwicklung geeigneter Nachweisverfahren erforderlich. Darüber hinaus sind Empfehlungen zur Ausführung von gleitfesten Verbindungen unter Berücksichtigung von praktischen Randbedingungen wünschenswert, um deren möglichen Einfluss auf den Gleitwiderstand beurteilen zu können.
Um bestehende Wissenslücke zu schließen, wurden systematische Untersuchungen im Rahmen von drei IGF-Forschungsvorhaben Nr. 18711 BG, Nr. 19749 BG und Nr. 21196 BG durchgeführt. Basierend auf einer Abschätzung des verbleibenden Vorspannkraftniveaus unter Berücksichtigung verschiedener Anziehverfahren und Beschichtungssysteme wurden praktisch anwendbare Lösungen für Bemessung und Ausführung von wartungsarmen vorgespannten Schraubverbindungen im Stahlbau erarbeitet. Darüber hinaus wurde ein aktualisiertes Prüfverfahren zur Ermittlung der Vorspannkraftverluste vorgeschlagen. Abschließend wurden ergänzende Empfehlungen für die Ausführung von gleitfesten Verbindungen unter Berücksichtigung der praktischen Randbedingungen formuliert.