Hochfeste Rohre im Gerüst- und Kranbau

  • AiF-FOSTA-Forschungsprojekt (IGF-Vorhaben Nr.: 21439 N/1;Antrags-Nr.: 03157/20)
  • Projektzeitraum: 10/2020 - 03/2023
  • Projektpartner: FOSTA, PERI GmbH Schalung Gerüst Engineering,Kerscher Gerüstbau, Schäfer Gerüstbau GmbH, Wuppermann Austria GmbH, Garske und Partner PartG mbB, Hertle Ingenieure und weitere Industriepartner

Im Kran- und Gerüstbau werden überwiegend kaltgefertigte, feuerverzinkte Rohre mit D= 48,3 mm aus S355 eingesetzt. Gemäß DIN EN 12810-1 ist bei oben genanntem Durchmesser eine minimale Nennwanddicke von t= 2,7 mm einzuhalten.Damit soll vermieden werden, dass sich das Rohr aufgrund des Anpressdrucks eindrückt, wenn die Kupplung zu fest zugedreht wird. Bei Traggerüsten sind zunehmend deutlich größere Durchmesser von D> 60 mm üblich. Der Einsatz hochfester Stähle mit Stahlgüten bis zu S960 scheint vielversprechende Materialersparnisse zu ermöglichen. Durch geringere Wandstärken gewinnt dabei zusätzlich  zu dem globalen Stabilitätsverhalten das lokale Beulversagen eine entscheidende Rolle bei der Dimensionierung.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, die für den Einsatz hochfester, dünnwandiger und roher oder feuerverzinkter Rohre als Druckglieder im Kran- und Gerüstbau notwendigen Grundlagen zu erarbeiten. Die Forschung wird im Wesentlichen experimentell durchgeführt, anhand derer die numerischen Modelle verifiziert und kalibriert werden. Konkret sollen für hochfeste Rohrstützen zulässige D/t-Verhältnisse zur Vermeidung von lokalem Beulen erarbeitet werden. Für Bemessungszwecke wird eine Knickspannungslinie für dünnwandige, kaltverformte und rohe oder feuerverzinkte Rohre aus hochfestem Stahl im Durchmesserbereich von D= 48,3 mm bis ca. D= 80 mm erstellt. Des Weiteren wird eine minimalen Wandstärke für hochfeste Rohre mit D = 48,3 mm bei Verwendung von Standardgerüstkupplungen bzw. Standardverbindungen im Kranbau festgelegt. Letztlich wird die Robustheit und Schlagsicherheit der hochfesten Rohrstützen untersucht und deren mechanische Eigenschaften und metallurgische Gegebenheiten überprüft um Einflüsse aus Kaltumformung,Schweißvorgang und des finalen Verzinkens zu quantifizieren.
Es wird erwartet, das die Verwendung hochfester Stähle zu einer Gewichtsreduktion von ca. 25% im Kran- und Gerüstbau führen wird. Es ergeben sich Vorteile im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit,  den Gesundheitsschutz der Arbeitnehmer aber auch für den Klimaschutz und die Ressourceneffizienz.

Zuständigkeit

Drilon Gubetini

Formoptimierung von aufgeschweißten Lamellen unter Ermüdungsbeanspruchung

  • AiF-FOSTA-Forschungsprojekt (IGF-Vorhaben-Nr.: 20800 N; Antrags-Nr.: N03108/19)
  • Projektzeitraum: 12/2019 - 11/2022
  • Projektpartner: FOSTA, Maurer Engineering GmbH, Zwickauer Sonderstahlbau GmbH, Stahlbau Wegscheid GmbH, Haslinger GmbH sowie weitere Partner aus der Industrie

Aufgeschweißte Lamellen sind seit langem eine Standardausführung für Stahlkonstruktionen. Lamellenkonstruktionen werden zur Gewichtoptimierung und als örtliche Verstärkungsmaßnahme im Stahl- und Brückenbau, im Kranbau, sowie im Nutzfahrzeuge- und Landmaschinenbau eingesetzt. Die Anordnung von Lamellen erfolgt einerseits als Gurtlamelle zur Abstufung der Gesamtblechdicken bei Trägern. Dadurch können leichtere und wirtschaftlichere Konstruktionen erreicht werden, insbesondere, wenn zusätzlich zur Gewichts- und Fertigungsoptimierung moderne höher- und hochfeste Stahlsorten zur Anwendung kommen. Andererseits dienen aufgeschweißte Lamellen als Verstärkung bei hoher lokaler Zusatzbeanspruchung.

Die genannten typischen Anwendungsbereiche unterliegen häufig einer wechselnden Beanspruchung und aufgeschweißte Lamellen sind daher gegen Ermüdung auszulegen. Die Materialermüdung wird maßgeblich von den geometriebedingten Spannungskonzentrationen an geschweißten Detailpunkten beeinflusst. Das Kerbdetail des Lamellenendes ist aufgrund der hohen Kerbschärfe der kritischste Punkt der Verstärkungskonstruktion und damit zumeist das kritischste Kerbdetail der Gesamtkonstruktion. Aus diesem Grund können die Vorzüge höher- und hochfeste Stahlsorten oft nicht ausgenutzt werden. Die Optimierung des Kerbdetails des Lamellenendes hinsichtlich Ermüdungsfestigkeit ist folglich eine entscheiden Maßnahme, um leichte und ökonomische Stahlkonstruktionen realisieren zu können.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein anwenderorientierters Nachweiskonzept zu erarbeiten, um die Planung, Bemessung, Ausführung und Qualitätssicherung von optimierten Lamellenkonstruktionen für die Praxis zu ermöglichen. Hierzu werden bereits vorhandene Versuchsergebnisse ausgewertet und numerische sowie experimentelle Voruntersuchungen zur Formoptimierung durchgeführt, die im weiteren Verlauf des Forschungsvorhabens auch auf Großstrukturen erweitert werden. Die Einbausituation der aufgeschweißten Lamellen spielt eine entscheidende Rolle und wird ebenfalls untersucht.  Zusätzlich sind Ermüdungsversuche an Versuchskörpern mit nachbehandelten Schweinähten geplant. Letztendlich sollen für Referenzbauteile zu optimierten Lamellenauslaufformen rechnerische Wöhlerlinien und ein anwenderfreundliches Nachweiskonzept erarbeitet werden.

Zuständigkeit

Niclas Rausch

Anwendung des Strukturspannungskonzeptes bei ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen des Stahlbaus

  • AiF-FOSTA-Forschungsprojekt (FOSTA-Nr.: P 1271/28/2018)
  • Projektzeitraum: 11/2018 - 04/2021
  • Projektpartner: FOSTA, SEH, IB Lutzens, Maurer, IBUKO, Hertle Ingenieure sowie weitere Partner aus der Industrie

Im Regelfall erfolgen Ermüdungsnachweise im Stahlbau als Spannungsnachweis im Bauteil und in der Schweißnaht über das in der DIN EN 1993-1-9 geregelte Nennspanungskonzept. Bei Berechnungen mit Finiten Elementen lässt sich dieses Konzept allerdings nur noch beschränkt anwenden, da örtliche Spannungserhöhungen an der Kerbe nicht beurteilt werden können.

Das Strukturspannungskonzept ist ein über das Nennspannungskonzept hinausgehendes Verfahren für Ermüdungsnachweise und gehört in vielen Bereichen schon heute zum Ingenieuralltag. Die zugehörige nichtlineare Strukturspannung ist eine fiktive Kenngröße am sogenannten Hot-Spot, die mit Hilfe der Finite Elemente Methode ermittelt wird und zu deren Berechnung in der Literatur differente Ansätze existieren. Im Bauwesen ist deren Anwendung jedoch bis dato nicht ausreichend klar geregelt. Es fehlen Hinweise zur Modellierung, zur Ermittlung der Spannungen und zu Ansätzen zum Umgang mit Exzentrizitäten und Dickeneinflüssen. Aufgrund der unzureichenden Regelungen kommt es in der Praxis häufig zu fehlerhaften Anwendungen die zu einer erheblichen Planungsunsicherheit führen.

Es ist demzufolge wichtig, das Strukturspannungskonzept als ein über das Nennspannungskonzept hinausgehendes und normativ verankertes Verfahren für Ermüdungssicherheit zu untersuchen und schlüssige Regelungen zu schaffen. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens numerische Untersuchungen an unterschiedliche Kerbfälle durchgeführt und mittels geeigneter FE-Analysen Kerbfaktoren für das Strukturspannungskonzept beurteilt. An eigenen statischen Versuchen werden zusätzlich Spannungskonzentrationsfaktoren ermittelt, die ergänzend zu bereits vorhandenen Versuchsergebnissen aus der Literatur zur Verifizierung der numerischen Ergebnisse herangezogen werden. Um Einflüsse aus Exzentrizitäten und Blechdicken genauer beurteilen zu können, werden zudem Ermüdungsversuche an ideellen und imperfekten Kreuzstößen durchgeführt. Um die sichere Anwendung des Strukturspannungskonzeptes zu gewährleisten, werden im Anschluss, unter Berücksichtigung der in der Literatur vorhandenen Empfehlungen, allgemeingültige Regeln für die Modellierung aufgestellt. Dem Anwender werden auf diese Weise Informationen und Referenzmodelle zur Verfügung gestellt, mit denen eigene FE-Berechnungen kalibriert werden können. Die Ergebnisse sollen abschließend in eine überarbeitete Fassung der DIN EN 1993-1-9 bzw. in eine entsprechende DASt-Richtlinie einfließen.

Zuständigkeit

Niclas Rausch

 

Ermüdungsnachweis von Schienen auf Basis bruchmechanischer Kriterien

  • AiF-FOSTA-Forschungsprojekt (FOSTA P1033, IGF 18094N)
  • Projektzeitraum: 2014 - 2016
  • Projektpartner: Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM, Lehrstuhl für Massivbau der TUM und verschiedene Partner aus der Industrie

Der Ermüdungsnachweis von Schienen des Oberbaus bei Eisenbahnen erfolgt bisher auf Basis vereinfachter Annahmen bzgl. auftretender Schienenspannungen in Form eines Dauerfestigkeitsnachweises mit Hilfe des Smith-Diagramms. Grundlage für diese Art der Bemessung ist die Annahme, dass die Schienen im Wesentlichen durch Normalspannungen, z.B. aus Temperatur, Bremsen und Anfahren sowie durch Biegespannungen aufgrund eines Biegemomentes aus vertikaler Radüberfahrt, belastet werden. Horizontale Verkehrslastanteile aus Sinuslauf, Überhöhung und Kurvenfahrt werden im praktischen Nachweisverfahren nicht erfasst. Dies rechtfertigt sich damit, dass die Eigenspannungsverteilung im Schienenquerschnitt für die Schienenfußkante günstige Druckspannungen aufweist. Die Längszugspannungen aus Biegung um die schwache vertikale Profilachse werden in Querschnittsbereichen mit vorhandenen Druck-Eigenspannungen zum Teil kompensiert.

Laborprüfungen zur Dauerschwellfestigkeit von Schienenprofilen unter vertikaler dynamischer Biegebeanspruchung zeigen jedoch deutliche Streuungen in den Prüfergebnissen. Bei Bruchversagen liegt der Ort des Anrisses nicht grundsätzlich im Bereich der größten Zugspannungen (in Schienenfußmitte als Summe aus Eigenspannungen und externen Einflüssen), sondern kann auch aus der Symmetrieachse in Richtung der Schienenfußkante verschoben sein, wo geringere Zugspannungen vorliegen. Dies legt nahe, dass weitere Kriterien, wie die Oberflächenbeschaffenheit der Schiene, in Verbindung mit Spannungen aus Querschnittsverwölbung (Sekundärdurchbiegung) einen höheren Stellenwert haben, als ihnen im Ermüdungsnachweis zugebilligt wird.

Ziel des Forschungsprojektes ist es, mit Hilfe bruchmechanischer Methoden, einen Ermüdungsnachweis von Eisenbahnschienen zu erarbeiten, welcher die oben genannten Einflüsse mit berücksichtigt und so einen genaueren und somit wirtschaftlicheren Nachweis von Eisenbahnschienen erlaubt.

Zuständigkeit

Senta Pessel

Ermittlung von Drehfedersteifigkeiten von Stahlbauanschlüssen zur Bestimmung des idealen Biegedrillknickmomentes

  • DASt-AiF Projekt (AiF 16872 N)
  • Projektzeitraum:
  • Projektpartner: Deutscher Aussschuß für Stahlbau und Industriepartner

Stahlbauanschlüsse mit langen Fahnenblechen sind eine wirtschaftliche und praxisgerechte Art, Sekundärträger an Primärträger anzuschließen. Im Gegensatz zu kurzen Fahnenblech- oder Doppelwinkelanschlüssen entfällt das kostenintensive Ausklinken der Sekundärträgerflansche und der Einbau auf der Baustelle wird deutlich erleichtert. Im Hinblick auf den Biegedrillknicknachweis sind diese Anschlusstypen jedoch in der DIN EN 1993-1-1 nicht erfasst. Aus statischer Sicht besteht das Problem, dass ein Fahnenblechanschluss– sowohl mit langem als auch mit kurzem Fahnenblech mit Ausklinkung – ebenso wie ein Doppelwinkelanschluss kein Gabellager, sondern ein torsionsweiches Lager darstellt und die Anwendung üblicher Formeln zur Ermittlung von Mcr, die ein Gabellager voraussetzen, daher nicht möglich ist. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Torsionsfedersteifigkeiten von Stahlbauanschlüssen ermittelt, die bei der Berechnung von Mcr berücksichtigt werden können und Hilfsmittel zur Ermittlung einer Ersatzbiegedrillknicklänge erarbeitet, die bei der Berechnung von Mcr mit der Formel aus der DIN 18800-2 füreinen gabelgelagerten Einfeldträger verwendet werden kann. Dazu wurden 6 Großversuche durchgeführt, die zur Kalibrierung von numerischen Modellen verwendet wurden, mit denen umfangreiche Parameterstudien durchgeführt werden konnten. Auf dieser Grundlage wurden Berechnungshilfsmittel sowie ein Katalog der Torsionsfedersteifigkeiten für verschiedene Anschlusstypen erstellt.

Zuständigkeit

Heidrun Möller

Entwicklung und Aufbereitung wirtschaftlicher Bemessungsregeln für Stahl- und Verbundträger mit schlanken Stegblechen im Hoch- und Brückenbau

  • Aif-Projekt 14771
  • Projektzeitraum:
  • Projektpartner: Lehrstuhl für Metall- und LeichtmetallbauRWTH Aachen; Institut für Konstruktion und Entwurf Universität Stuttgart

Thema dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung und Aufbereitung wirtschaftlicher Bemessungsregeln von Stahl- und Verbundträgern mit schlanken Stegblechen im Hoch- und Brückenbau. Hauptaugenmerk wird hierbei auf eine verständliche Darstellung und Erläuterung der Regelungen in Eurocode 3 – DIN EN 1993-1-5 für Beulnachweiseund eine Ergänzung der Regelungen durch einen neuen Leitfaden für die Bemessung von Stahl- und Verbundträgern mit Stegausschnitten gelegt. Die DIN EN 1993-1-5 bietet für Beulnachweise zwei Methoden an: Methode 1 für Standardausführungen von Beulfeldern mit Zerlegung des Spannungsfeldes in Komponenten, für die jeweils Einzelnachweise geführt werden, die dann über eine plastische Interaktion in einen Gesamtnachweis überführt werden. Methode 2 für beliebige Ausbildungen von Beulfeldern (auch solche mit Stegausschnitten), bei der in einem Schritt nachgewiesen wird, ob das vorhandene Spannungsfeld stabil ist oder nicht. Beide Methoden werden analysiert und verglichen. Es wird festgestellt, dass sich Methode 2 für einen zweistufigen Nachweis eignet, bei der die zweite Stufe einezusätzliche „plastische Rotation“ bewirkt, die ähnliche Ergebnisse bewirkt wie die Methode1. Unterschiede liegen dann nur in der Art der Längsspannungs-Schub-Interaktion: Bei Methode 1 aufgrund von plastischen Schnittgrößeninteraktionen, bei der Methode 2 mit dem v. Mises-Kriterium. Die in dem Forschungsbericht niedergelegte Aufarbeitung mit Beispielen dient der Nutzerfreundlichkeit der Eurocode-Regeln und kann als „nichtwidersprüchliche Ergänzung (NCCI)“ der Eurocode-Regelungen verstanden werden. Sie ist gleichzeitig ein Beitrag für die Weiterentwicklung der Eurocodes.

Zuständigkeit

Dr.-Ing. Joseph Ndogmo