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Ermüdungsfestigkeit von Stumpfnahtverbindungen größerer Blechdicke gefügt mit Hochleistungsschweißverfahren

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[Quelle: https://www.repo.uni-hannover.de]

In vielen Bereichen des Ingenieurwesens gehört das Schweißen zu den maßgebenden und am häufigsten angewendeten Verbindungstechniken. Auch für Tragstrukturen von Windenergieanlagen, zu denen u. a. Türme und Monopiles gehören, sind stumpfgestoßene, dickwandige Schweißverbindungen charakteristisch. Durch die zunehmenden Dimensionen und Beanspruchungen geraten konventionelle Hochleistungsfügeverfahren wie das Unterpulverschweißen an die Grenzen ihrer technischen Umsetzbarkeit. Gleiches gilt auch für das Design und die Bemessung dieser Verbindungen. Zum Nachweis der Ermüdungssicherheit ist bisher das Nennspannungskonzept, basierend auf experimentell ermittelten Wöhlerlinien, Stand der Technik und maßgebend in gültigen Bemessungsnormen wie dem Eurocode 3. Dieses Verfahren ist einfach in der Anwendung, bietet aber kaum Möglichkeiten, lokale Nahteigenschaften zu berücksichtigen und so zu einer individuellen Dimensionierung zu gelangen. Die Arbeit leistet einen Beitrag zu einer zuverlässigen Lebensdauerprog-nose auf Basis lokaler Ermüdungskonzepte, indem sie die Anwendbarkeit des Zwei-Phasenmodells, d. h. einer Kombination aus Kerbdehnungs- und Rissfortschrittskonzept, für die Bemessung von dickwandigen Stumpfstößen untersucht. Wesentliche Eingangsgrößen für dieses Modell sind die aus der Nahtgeometrie resultierende, elastische Spannungserhöhung und die lokale, inhomogene Festigkeitsverteilung über den Nahtquerschnitt. In großem Umfang wurden daher die Nahtprofile der Schweißproben vor der Schwingprüfung messtechnisch erfasst und durch entsprechende Filter für die numerische Analyse der Kerbformzahlen aufbereitet. Erst durch das Filtern mit entsprechender Grenzwellenlänge werden Messdaten vereinheitlicht und grundsätzlich vergleichbar. Für das Qualitätsmanagement innerhalb der Schweißfertigung und auch den direkten Eingang in Bemessungskonzepte ist dieser Schritt essentiell. Am Ende der Untersuchung steht eine umfassende Datenbasis zur Kerbgeometrie stumpfgeschweißter Verbindungen. Diese lokalen Nahtgeometrieeigenschaften und aus der Härte umgewertete Festigkeitsverteilungen über den Querschnitt bilden nun die maßgebenden Eingangsparameter für das Zwei-Phasenmodell. Die Validierung an experimentell ermittelten Schwingfestigkeiten zeigt die Anwendbarkeit und das Potential des Modells. Die erreichte Prognosegüte für verschiedene Stahlwerkstoffe und Randbedingungen ist hoch. Durch die große Datenbasis ist es möglich, statistische Verteilungen dieser Eingangsparameter abzuleiten und im Rahmen stochastischer Monte-Carlo-Simulationen zu untersuchen. Das Potential lokaler Nachweiskonzepte für eine wirtschaftliche und sichere Bemessung großer Stahlstrukturen kann damit eindeutig aufgezeigt werden.

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Jan Reimann, Jörg Hildebrand, Jean-Pierre Bergmann
3D-Weld - 3D gedruckte Knotenpunkte aus Stahllegierungen für bionische Tragstrukturen
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3208
2020, 169 S., 100 Abb. u. 18 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Filigrane, materialsparende, festigkeits- und steifigkeitsangepasste Tragstrukturen aus Metall gewinnen zunehmend an Bedeutung. Durch solche Strukturen ist es nicht nur möglich individuelle Ästhetik in Bauwerke einfließen zu lassen oder ikonenhafte architektonische Meisterwerke zu kreieren, sondern auch beanspruchungsoptimierte bautechnische Lösungen in Anlehnung an die Natur (Bionik) zu generieren. Die Motivation eine leichte Knotenstruktur mit maximaler Tragfähigkeit herzustellen ist häufig mit dem Wunsch eines minimalen und angepassten Materialeinsatz sowie geringen Herstellungskosten gepaart. Die Untersuchung erfolgt sowohl an numerischen als auch an realen Modellen. Anhand der numerischen, parametrischen Modelle können eine Vielzahl unterschiedlicher Modelle differierender Systemspezifikationen untersucht und hinsichtlich Tragfähigkeit der Knoten aus Stahl bewertet werden. Die Verifikation und Validierung der numerisch ermittelten Ergebnisse erfolgt über begleitende experimentelle Belastungstests an räumlichen Modellen. Anhand eines Demonstrators konnte gezeigt werden, dass die Abbildung des Herstellungsprozesses unter Verwendung von gewissen Vereinfachungen mittels Schweißstruktursimulation möglich ist. Die experimentell ermittelten Materialkennwerte für die Schweißzusatzwerkstoffe ermöglichen es, die Tragwerkknoten beanspruchungsgerecht zu dimensionieren. Mit Hilfe von Demonstratoren konnte die Herstellbarkeit topologieoptimierter Tragwerkknotens mittels WAAM gezeigt werden.

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C. Könke, J. P. Bergmann, M. Ganß, J. Hildebrand, M. Kuhne, S. Hammer, Y. Ali
Zustandsmonitoring von mit Kohlefaserlamellen verstärkten Stahlverbindungen unter Einsatz integrierter Fasersensorik. Intelligentes CFK-Pflaster. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3103
2018, 59 S., 40 Abb. u. 1 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ein neuer Ansatz zur Ertüchtigung von Stahlkonstruktionen ist die klebetechnische Applikation von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). In die Klebverbindung integrierte sehr dünne faseroptische Sensoren können hier helfen neue Detailkenntnisse zu den Verbundeigenschaften insbesondere zu dem Klebfugenverhalten unter komplexen Umgebungsbedingungen und Belastungen zu erlangen. Die Untersuchungen an den Stahl-CFK-Klebverbindungen und CFK-verstärkten Bauteilen mit in der Klebfuge integrierten faseroptischen Sensoren verdeutlichen, dass während der mechanischen und thermisch-hygrischen Belastung der Stahl-CFK-Klebverbindungen sehr genau und ortsauflösend lokale Dehnungen sowie inhomogene Dehnungszustände in Sensorfaserrichtung in der Klebfuge ermittelt werden können. Mit der Fasersensorik können somit tatsächliche Dehnungszustände und eine Schädigung des Verbundes in Form einer Delamination ortsaufgelöst und in Echtzeit detektiert werden. Die Ergebnisse des Vorhabens liefern somit einen neuen Ansatz für die Optimierung von strukturellen Klebverbindungen auf Basis einer Detailanalyse der Klebfugen.

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Ulrike Kuhlmann, Matthias Konrad
Sicherstellung ausreichender Tragfähigkeit von Kopfbolzendübeln bei Einsatz von Profilblechen
Bauforschung, Band T 3236
2010, 131 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ausgehend von einer Datenbasis mit ca. 300 Push-Out Tests konnte gezeigt werden, dass die normative Regelung in DIN 18800-5 zur Bestimmung der Kopfbolzentragfähigkeit in Trapezblechsicken (senkrecht zum Träger) zum Teil ungenügende Ergebnisse liefert. So berücksichtigt die Regel in DIN 18800-5 die Haupteinflussparameter Einbindetiefe, Profilblechgeometrie, Kopfbolzenposition nur unzureichend. Bestehende Modelle aus der Literatur versuchen unter Berücksichtigung dieser Parameter sowie der vorhandenen Versagensmechanismen die Kopfbolzentragfähigkeit bei Verwendung von Trapezblechprofilen zu bestimmen. Der Vergleich dieser Modelle mit den Versuchen der Datenbasis lieferte teilweise bessere Ergebnisse im Hinblick auf Genauigkeit und dem geforderten Sicherheitsniveau. Manche Modelle sind jedoch sehr komplex in ihrer Anwendung und für die Praxis nur bedingt geeignet. Auch musste festgestellt werden, dass die qualitativ guten Modelle teils sehr strikte Anwendungsgrenzen haben und somit einen kleinen Anwendungsbereich. Aus diesem Grund wird mit Hilfe einer FE-Parameterstudie ein eigener Vorschlag zur Bestimmung der Kopfbolzentragfähigkeit bei Verwendung von senkrecht zum Träger spannenden Trapezblechen gemacht. Im Vergleich zu den meisten Ansätzen und Modellen zeigte der eigene Ansatz eine bessere Übereinstimmung zwischen Versuch und rechnerischer Tragfähigkeit sowie einen ausreichend großen Anwendungsbereich.

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Peter Schaumann, Frithjof Marten
Experimentelle Ermittlung von Wöhlerlinien großer Schrauben. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3198
2009, 88 S., 87 Abb., 24 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Anlass: Schrauben der Größenordnung M48 in Ringflanschverbindungen von modernen Windenergieanlagen (WEA) erfahren Ermüdungsbeanspruchungen aus kombinierten Axial- und Biggespannungen bei über 10 hoch 9 Schwingspielen. Dem Nachweis gegen Ermüdung kommt daher eine große Bedeutung zu. Der im Hochbau für den Nachweis maßgebende EN 1993-1-9 ordnet Schrauben bei Beanspruchungen in Axialrichtung die Wöherllinie der Kerbgruppe 50 zu. Für Durchmesser größer M36 ist diese Wöhlerlinie allerdings nicht abgesichert. Für Schrauben unter reiner Biegebelastung existieren keine Ermüdungsfestigkeitskurven. Ziel: Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Erstellung von Wöhlerlinien für hochfeste Schrauben des Durchmessers M48 unter Axial-, und Biegebeanspruchungen zur Absicherung bzw. Erweiterung der vorhandenen Richtlinien. Arbeitsplan: 1. Vorversuchsreihe zur Kalibrierung der Messeinrichtung. 2. Schwingversuche im Zeitfestigkeits- und Übergangsbereich an hochfesten Schrauben M48 unter Axialbeanspruchung. 3. Schwingversuche Im Zeitfestigkeits- und Übergangsbereich an hochfesten Schrauben M48 unter Biegebeanspruchung. 4. Statistische Auswertung der Schwingversuche und Erstellung der Wöhlerlinien 5. Schlussbericht. Durchführung: Zur Bestimmung des Zeitfestigkeitsbereichs werden auf zwei Lasthorizonten Schwingversuche mit jeweils 10 Probekörpern durchgeführt. Der Übergangsbereich zur Dauerfestigkeit wird über Schwingversuche mit 30 Probekörpern bestimmt. Als Grundlage für die zu erwartenden Schwingspielzahlen werden für Axialbeanspruchung die Kerbgruppe 50 und für Biegebeanspruchung die Kerbgruppe 71 herangezogen. Die Erstellung der Wöhlerlinien erfolgt im Anschluss durch eine statistische Auswertung der Messergebnisse und liefert als Streubreite die 10-, 50- und 90-prozentige Bruchwahrscheinlichkeit p. Ergebnis: Ergebnis sind die Wöhlerlinien für Schrauben des Durchmessers M48 unter Axial- und Biegebeanspruchung.

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H. Saal, Th. Misiek
Trag- und Verformungsverhalten querkraftbeanspruchter dübelartiger Verbindungen im Stahlbau
Bauforschung, Band T 3163
2008, 214 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der Verwendbarkeitsnachweis dübelartiger Verbindungselemente für Verbindungen an Hohlprofilen und anderen rückseitig schwer zugänglichen Konstruktionen ist durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung zu erbringen. Bei den genannten Verbindungselementen erfolgt die Fixierung durch Spreizung einer Hülse mittels eines im unzugänglichen Bereich der Verbindung liegenden Konus. Infolge der auf der unzugänglichen Seite fehlenden Auflage ergeben sich bei querkraftbeanspruchten dübelartigen Verbindungen unter Gebrauchslastniveau zwangsläufig größere Verformungen als bei Verbindungen mit rohen Schrauben oder gar Passschrauben. Andererseits führt die sich spreizende Hülse zu einer Verklemmung im Bohrloch, die die Verformungen behindert. Erneute Fragestellungen zum Trag- und Verformungsverhalten der o.g. Verbindungselemente haben sich insbesondere im Zusammenhang mit der Verwendung dieser Verbindungselemente bei der Kattwykbrücke in Hamburg ergeben. Bei den dort ausgeführten Anschlüssen traten große und von den Ausführenden nicht erwartete Verformungen auf, deren Einfluss auf die tatsächliche Tragfähigkeit der Anschlüsse unklar blieb. In Rahmen des Forschungsprojekts wurde das Trag- und Verformungsverhalten und somit auch die Gebrauchstauglichkeit dübelartiger Verbindungen im Stahlbau untersucht.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Stranghöner, Natalie; Makevi?ius, Lukas; Flügge, Wilko; Henkel, Knuth-Michael; Glienke, Ralf; Dörre, Maik; Schwarz, Mathias; Rudolf, Andrea; Fiedler, Susanne
Gleitfeste Verbindungen mit Imperfektionen
Stahlbau, 2022

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Xin, Haohui; Li, Jie; Veljkovic, Milan; Liu, Yuqing; Sun, Qing
Evaluating the strength of grade 10.9 bolts subject to multiaxial loading using the micromechanical failure index: MCEPS
Steel Construction, 2022

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Stranghöner, Natalie; Abraham, Christoph
Neue Bemessungsregeln für geschraubte Verbindungen aus nichtrostendem Stahl
Stahlbau, 2022

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Seyfried, Benjamin; Möller, Benjamin; Ummenhofer, Thomas; Baumgartner, Jörg; Melz, Tobias
Laserstrahl- und Laserhybridschweißverbindungen aus ultrahochfesten Feinkornbaustählen - Teil 2: Ermüdungsfestigkeit
Stahlbau, 2022

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Mohan, Meera; Wilkinson, Tim
Damage criterion approach to high-strength steel RHS truss joints
Steel Construction, 2022

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