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Ermüdungssicherheit imperfekter vorgespannter Ringflanschstöße in windbeanspruchten turmartigen Stahlbauten

Bauforschung, Band T 2978
Herbert Schmidt, Alexander Jakubowski
Univ. Essen, Fachgebiet Stahlbau
2002, 170 S., Abb., Tab., Lit.
Fraunhofer IRB Verlag

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Inhalt

Die Montagestöße turmartiger, kreiszylindrischer oder konischer Stahlbauten (Windenergietürme, Maste, Schornsteine) werden häufig als planmäßig vorgespannte geschraubte L-Ringflanschverbindungen ausgebildet. Der Bericht untersucht den Einfluss von Flanschklaffungen auf das innere Kräftespiel in L-Flansch-Stößen unter Rohrbiegung und analysiert die daraus resultierende Ermüdungsbeanspruchung der Schrauben. Das hierfür aufzubauende FE-Modell wurde experimentell validiert, indem großmaßstäbliche Rohrbiegeversuche an Ringflanschstößen durchgeführt wurden. Beschrieben werden die insgesamt vier Experimente, welche an einem perfekten Prüfflanschstoß, einem planmäßig imperfekten Stoß mit flanschseitiger Winkelklaffung, einem planmäßig imperfekten Stoß mit rohrseitiger Winkelklaffung sowie an einem planmäßig imperfekten Stoß mit Parallelklaffung durchgeführt wurden. Erläutert werden der Aufbau des FE-Modells mit Hilfe des Programmsystems ANSYS, dessen Validierung anhand der Versuchsergebnisse sowie eine numerische Parameterstudie, die an Ringflanschen mit zwei ausgewählten baupraktischen Ringflanschgeometrien durchgeführt wurde. Die Imperfektionsparameter wurden variiert und die damit berechneten Schraubenbeanspruchungsfunktionen miteinander verglichen. Der Forschungsbericht zieht aus den Untersuchungsergebnissen Schlussfolgerungen für die Bemessungspraxis und gibt Ausführungsempfehlungen.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 3
1.1 Problemstellung 3
1.2 Zielsetzung und Überblick 6
2 Wissensstand 7
3 Planung und Aufbau der Rohrbiegeversuche 11
3.1 Versuchsprogramm 11
3.1.1 Zugrundegelegte Flanschverbindungen 11
3.1.2 Parameter Flanschimperfektion 12
3.2 Versuchsaufbau 13
3.2.1 Belastungsvorrichtung13
3.2.2 Herstellung der Prüfkörper und der Auf nahmestücke14
3.3 Messeinrichtungen 15
3.3.1 Messeinrichtungen am Gesamtsystem 15
3.3.2 Messeinrichtungen im engeren Prüfflanschbereich 15
4 Durchführung der Rohrbiegeversuche 17
4.1 Begleitende Materialprüfung 17
4.1.1 Rohr- und Flanschmaterial 17
4.1.2 Schrauben 18
4.2 Vermessung der Prüfkörper 19
4.2.1 Imperfektionen - Vorgehensweise 19
4.2.2 Imperfektionen - Ergebnisse 21
4.3 Aufbringen der Vorspannung 23
4.4 Ablauf der Belastungsversuche 24
5 Ergebnisse der Rohrbiegeversuche 26
5.1 Darstellung der Versuchsergebnisse 26
5.1.1 Prüfschrauben: Axial- und Biegebeanspruchung 26
5.1.2 Prüfschrauben: Torsionsbeanspruchung 28
5.1.3 Prüfrohre: Membran- und Biegebeanspruchung 29
5.2 Messungenauigkeiten und Messfehler 29
5.3 Ergebnisse der Vorspannphase 30
5.3.1 Ergebnisse Prüfschrauben: Axial- und Biegebeanspruchung 30
5.3.2 Ergebnisse Prüfschrauben: Torsionsbeanspruchung 34
5.3.3 Ergebnisse Prüfrohre: Membran- und Biegebeanspruchung 34
5.3.4 Flanschklaffungen 36
5.4 Ergebnisse der Schwellbelastungsphase 37
5.4.1 Ergebnisse Prüfschrauben: Axial- und Biegebeanspruchung unter Rohrbiegezug 37
5.4.2 Ergebnisse Prüfschrauben: Axial- und Biegebeanspruchung unter Rohrbiegedruck 40
5.4.3 Ergebnisse Prüfschrauben: Veränderungen der Axial- und Biegebeanspruchungen infolge wiederholter Belastung 41
5.4.4 Ergebnisse Prüfschrauben: Torsionsbeanspruchung 45
5.4.5 Ergebnisse Prüfrohre: Membran- und Biegebeanspruchung 46
5.4.6 Flanschklaffungen 48
5.5 Ergebnisse der Traglastversuche 48
6 Vergleichsberechnungen zu den Rohrbiegeversuchen 50
6.1 Aufbau des FE-Modells 50
6.1.1 Elementtypen 50
6.1.2 Feinmodellierung und Elementvernetzung 51
6.1.3 Werkstoffeigenschaften 52
6.1.4 Symmetriebedingungen 53
6.1.5 Modellierung der geometrischen Flanschimperfektionen 55
6.1.6 Aufbringen der Vorspannung 55
6.2 Validierung des FE-Modells anhand der experimentellen Ergebnisse 56
6.2.1 Vorspannphase 56
6.2.2 Schwellbelastungsphase 57
6.3 Weitere FE-Vergleichsberechnungen 59
6.3.1 Schraubenschnittgrößen unter stetig ansteigender Rohrbiegebelastung 59
6.3.2 Vorspannverluste bei wiederholter Belastung 61
7 Numerische Parameterstudie 62
7.1 Reduktion des FE-Modells 62
7.2 Baupraktische Flanschstöße: Geometrie und Werkstoff 65
7.3 Vergleich der Schraubenbeanspruchungsfunktionen 66
7.4 Vergleich der Ermüdungs-Schädigungssummen 69
7.4.1 Vorgehensweise 69
7.4.2 Ergebnisse Flanschstoß A 72
7.4.3 Ergebnisse Flanschstoß B 73
8 Schlussfolgerungen für die Bemessungspraxis 76
8.1 Unmittelbare Erkenntnisse aus den Untersuchungen 76
8.2 Überlegungen zum Ermüdungssicherheitsnachweis der Schrauben 77
8.3 Überlegungen zu Herstelltoleranzen für den Flanschstoß 79
8.4 Überlegungen zur Sanierung imperfekter Flanschstöße 81
9 Zusammenfassung und Ausblick 83

Publikationslisten zum Thema:
Stahlkonstruktion, Turmbauwerk, Windturm, Mast, Kreiszylinder, Konus, Windbeanspruchung, Montagestoß, Ringflansch, Verschraubung, Vorspannung, Imperfektion, Ermüdungssicherheit, Experiment, Biegeversuch, Untersuchungsergebnis, Modellierung, Finite-Elemente-Methode, Bemessungshinweis, Ausführungsempfehlung,

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Forschungsberichte

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Bei der Überführung der Eurocodes für die brandschutztechnische Bemessung von Stahlverbundbauteilen von der ENV- in die EN-Version sind neue Kennwerte für die Berechnung der Erwärmung definiert und einige Bemessungsverfahren verändert worden oder neu hinzugekommen. Darüber hinaus enthält die EN-Fassung einige Angaben, die in den einzelnen Mitgliedsländern im Rahmen der National Determined Parameter dem nationalen Sicherheitsniveau entsprechend festzulegen sind. Insgesamt ist sicherzustellen, dass das derzeitige Bemessungsniveau allgemein und die bestehenden Bemessungstafeln und vereinfachten Berechnungsverfahren speziell im Bemessungsergebnis nicht spürbar verändert werden. Dazu ist in einer Studie anhand signifikanter Beispiele der Vergleich zwischen den bestehenden Regelungen und denen nach EN-Fassung durchzuführen und zu werten. Die identifizierten Änderungen werden anhand der einzelnen Nachweisebenen des Eurocodes (Level 1 bis 3) gegliedert und analysiert. Abschließend werden die Änderungen in den einzelnen Nachweisebenen ganzheitlich betrachtet und das Sicherheitsniveau der EN-Version im Vergleich zur ENV-Fassung beurteilt. Auf der Ebene der Bemessungstabellen haben sich Änderungen für Verbundstützen aus kammerbetonierten 1-Profilen oder betongefüllten Rundrohren ergeben. Die Änderungen können als wissenschaftlich abgesichert und das Sicherheitsniveau im Vergleich zur ENV-Fassung als eingehalten betrachtet werden. Für den Nachweis von Verbunddecken im Brandfall ist in der EN-Fassung ein neues vereinfachtes Bemessungsverfahren implementiert worden. Ein Vergleich mit den in Deutschland vorliegenden Zulassungen des Deutschen Instituts für Bautechnik zeigt, dass das Eurocode-Verfahren besonders bei positiver Momentenbeanspruchung zu konservativen Ergebnissen führt und ein Nachweis der Längsschubtragfähigkeit fehlt. Bei dem Nachweis von ungeschützten Verbundträgern ist in der EN-Fassung ein erhöhter Emissionsbeiwert und ein Abschaffungseffekt zu berücksichtigen. Insgesamt führt die Berechnung zu etwas geringeren

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Die Beulkurven, die derzeitig in DIN 18 800 und Eurocode 3 festgelegt sind, bestimmen die Tragfähigkeit von beulgefährdeten Querschnitten (Querschnittsklasse 4). Aus den Beulkurven ergibt sich gleichzeitig der Grenzfall, ab dem ein örtliches Beulen nicht mehr rechnerisch zu berücksichtigen ist. Den Grenzwerten für das Verfahren Elastisch-Plastisch (bzw. Querschnittsklasse 2) ist dabei besonderes Augenmerk zu widmen, da diese einzuhalten sind, um die vereinfachten Stabilitätsnachweise nach DIN 18 800-2 führen zu dürfen. Die derzeit in den maßgebenden Regelwerken vorgesehenen Beulkurven können auf der unsicheren Seite liegen, sofern geometrische Imperfektionen in Anlehnung an die in DIN 18 800-3 festgelegten Höchstwerte der unvermeidbaren Herstellungsungenauigkeiten angesetzt werden. Eigene Untersuchungen, bei denen auch Eigenspannungen berücksichtigt wurden, zeigten einen Widerspruch zwischen numerisch ermittelten Traglasten und empirischen Erfahrungswerten. Dieser konnte nur dadurch aufgelöst werden, daß statt schlimmstmögliche, nur anregende Imperfektionen in Ansatz gebracht wurden. Eine Verschärfung der in den Normen verwendeten Beulkurven wird dann nicht als notwendig erachtet. Bezüglich der Grenz-(b/t)-Verhältnisse werden z.T. deutlich strengere Grenzwerte gefordert, weil sich für auf die derzeitigen (b/t)-Verhältnisse optimierten Querschnitte zu hohe Traglasten ergeben würden. Numerische Rechnungen zeigen zwar gewisse Unzulänglichkeiten der derzeitigen Regelungen auf, geben jedoch nicht genügend Anlass, die derzeitigen Grenzwerte zu verschärfen.

Joachim Lindner, A. Rusch
Interaktionsgleichungen für das Biegeknicken bei Druck und zweiachsiger Biegung. Schlussbericht
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1999, 90 S., Abb.,Tab.,Lit.,
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Für stabilitätsgefährdete Bauteile und Bauwerke ist generell eine Berechnung nach Elastizitätstheorie 11. Ordnung möglich. Bei der praktischen Anwendung dominiert aber in Deutschland und auch international immer noch die Verwendung von Interaktionsgleichungen. Bei Diskussionen zur europäischen Normung wurden Zweifel laut, ob die im Eurocode 3, Abschn. 5.5. vorhandenen Interaktionsgleichungen für den Fall von Druck und Biegung hinreichend sicher sind. Es wurden Parameterstudien durchgeführt, die aus Traglastberechnungen bestehen. Diese Traglastberechnungen wurden unter Berücksichtigung des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens, von Eigenspannungen, von geometrischen Imperfektionen und der Ausbreitung plastischer Zonen in Stablängsrichtung durchgeführt. Die vorhandenen Interaktionsgleichungen des Eurocode 3 weisen ein hinreichendes Sicherheitsniveau auf, sind zum Teil aber etwas unwirtschaftlich. Zum anderen erwies sich ein gemeinsam mit Prof. Greiner/Graz erarbeitetes Nachweisformat sowohl als sicher als auch als wirtschaftlich.

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Zeitschriftenartikel

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