Einfluss des Höherfrequenten Hämmerns auf die Ermüdungsfestigkeit ultrahochfester Stähle der Festigkeitsklassen S960, S1100 und S1300 am Beispiel geschweißter Kerbdetails

Am Institut für Metall- und Leichtbau wird derzeit die durch die FOSTA-Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. geförderte KmU-Kurzstudie (FOSTA Nr. P 938) "Einfluss des höherfrequenten Hämmerns auf die Ermüdungsfestigkeit ultrahochfester Stähle der Festigkeitsklassen S960, S1100 und S1300 am Beispiel geschweißter Kerbdetails" durchgeführt. Die Projektlaufzeit beträgt neun Monate (Juli 2011 bis März 2012).

Der Einsatz ultrahochfester Stähle in den Festigkeitsklassen S960 und S1100 ist im Mobilkranbau üblich, wobei die neuesten Entwicklungen sogar dahin gehen, zukünftig auch ultrahochfeste Stähle der Festigkeitsklasse S1300 einzusetzen. Der Ermüdungsfestigkeit der geschweißten Konstruktionsdetails kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu, da diese die Auslegung der Krane maßgeblich mitbestimmt. Mittels Schweißnahtnachbehandlungs­verfahren lässt sich die Ermüdungsfestigkeit der Konstruktionen erheblich steigern. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird der Einfluss des Höherfrequenten Hämmerns als Schweißnahtnachbehandlungsverfahren auf die Ermüdungsfestigkeit ultrahochfester Stähle der Festigkeitsklassen S960, S1100 und S1300 an vier kranbautypischen Kerbdetails untersucht: das Detail des Stumpfstoßes mit und ohne Blechdickensprung sowie die Details der „aufgeschweißten Quersteife“, „aufgeschweißten Längssteife“ und „aufgeschweißten Lamelle“. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Bewertung der Resultate aus den Ermüdungsversuchen hinsichtlich ihrer Übertrag­barkeit auf die praktische Anwendung für den Mobilkranbau.

Seitens der Industrie wird das Forschungsvorhaben unterstützt durch die GSI-Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH Niederlassung SLV Duisburg, ThyssenKrupp Steel Europe AG, SSAB EMEA AB, DEPA Gesellschaft für Kranauslegerteile mbH und PITEC GmbH.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Jörn Berg M.Sc.

Das Institut für Metall- und Leichtbau hat im Oktober das von der Bundesanstalt für Straßenwesen (bast) geförderte Forschungsvorhaben "Effizienzsteigerung des Fahrbahnbelags auf Stahlbrücken mit Schäden in Form von Rissen im Bereich von Anschlüssen am Deckblech (Kategorie-1-Schäden)" bewilligt bekommen.

Die Bearbeitung erfolgt in Kooperation mit dem Institut für Straßenbau und Verkehrswesen der Universität Duisburg-Essen, Frau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Edeltraud Straube. Die Laufzeit des Forschungsvorhabens beträgt zwei Jahre (Oktober 2010 bis Oktober 2012).

Stahlbrücken aus den früheren Jahren weisen des häufigeren im Bereich des Anschlusses Deckblech-Längsrippe Risse auf, die als Kategorie-1-Schäden bezeichnet werden. Diese Schäden sind bauweisenunabhängig u. a. darin begründet, dass in den letzten Jahren die Verkehrsbelastung enorm zugenommen hat und die lokalen Beanspruchungen im Deckblech gestiegen sind. Eine Reduzierung der Spannungen und Durchbiegungen im Deckblech würde zu einer Vermeidung von Rissen im Anschluss Deckblech-Längsrippe führen. Dieses Ziel kann durch eine Versteifung des Deckblechs erreicht werden.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Lösungen zur Erhöhung der Steifigkeit des Deckblechs von orthotropen Fahrbahnplatten zur Reduzierung der Durchbiegungen und Spannungen. Hierzu sollen geeignete Materialien identifiziert und qualifiziert werden, mit denen die mittragende Wirkung des Fahrbahnbelags erhöht wird.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird der Schwerpunkt in der Entwicklung eines modifizierten Asphalts (HANV mit Epoxydharz- oder Bioharz-Verfüllung) gesehen, der alleine oder in Kombination mit dem Aufkleben von Stahlblechen sowohl experimentell als auch numerisch untersucht werden soll.

Methodenentwicklung und Leitfadenerstellung für die Bewertung der Nachhaltigkeit stählerner Konstruktionen für Erneuerbare Energien

Aufgrund stetig steigendem Bedarf an Erneuerbaren Energien kommt den Konstruktionen zur Gewinnung Erneuerbarer Energie zunehmend mehr an Bedeutung zu. Als Energieträger sind in diesem Zusammenhang die Windenergie, Geothermie, Solarthermie, Biomasse sowie Wasserenergie in Form von Wellen- und Strömungskraft zu nennen. Insbesondere der Baustoff Stahl spielt bei der Auslegung dieser Konstruktionen eine bedeutende Rolle. Damit diese Bauwerke als nachhaltig betrachtet werden können, ist eine hohe Ausnutzung der Qualität sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer und technischer Hinsicht notwendig. Wissenschaftlich anerkannte Verfahren, die eine ganzheitliche Nachhaltigkeitsbewertung von stählernen Konstruktionen zur Gewinnung Erneuerbarer Energien ermöglichen, existieren derzeit noch nicht.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden daher Kriterien erarbeitet, die auf die Besonderheiten dieser Anlagen angepasst sind und eine Bewertung der Nachhaltigkeit dieser zulassen. Aus bestehenden, angepassten und erarbeiteten Kriterien wird ein Katalog erstellt, der als Grundlage für eine qualitative Bewertung und Einstufung stählerner Anlagen von Erneuerbaren Energien im Sinne der Nachhaltigkeit dient.

Das Forschungsvorhaben wird in Kooperation mit dem Institut für Stahlbau der Leibniz Universität Hannover unter Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann und dem Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft der Ruhr-Universität Bochum unter Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner durchgeführt.

Die Projektlaufzeit beträgt 30 Monate (01.05.2010 - 31.10.2012).

Die finanzielle Förderung erfolgt durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF), Köln, aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Berlin. Die Begleitung des Projekts erfolgt durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Düsseldorf.

von Herrn Dr.-Ing. Stefan Wirth mit dem Thema:

Beulsicherheitsnachweise für schalenförmige Bauteile nach EN 1993-1-6

Kritische Analyse der praktischen Anwendbarkeit anhand zweier Fallstudien mit experimentellem Hintergrund

 Im Juli 2007 wurde die neue europäische Norm EN 1993-1-6 „Festigkeit und Stabilität von Schalen aus Stahl“ veröffentlicht. Dem Tragwerksplaner steht damit ein auf europäischer Ebene vereinheitlichtes technisches Regelwerk zur Verfügung, das in Zukunft die derzeit in Deutschland gültigen Regelwerke für Schalentragwerke ablösen wird.
  Als wesentliche Neuerung – und im Mittelpunkt dieser Arbeit stehend – werden neben dem traditionellem spannungsbasierten Beulsicherheitsnachweis, der im Prinzip identisch mit den Regelungen der DIN 18800 Teil 4 ist, zwei weitere unterschiedliche Formate für den Beulsicherheitsnachweis angeboten, von denen das erste die einfache Form und das zweite die kompliziertere Form des Einsatzes numerischer Hilfsmittel darstellt: Das sogenannte „MNA-LBA-Konzept“ und das sogenannte „GMNIA-Konzept“.
  Wie bei einem solchen „Schritt in die Zukunft“ nicht anders zu erwarten, stellt sich die Frage nach der baupraktischen Anwendbarkeit solcher numerisch aufwändiger Konzepte.
  Die EN 1993-1-6 wird in der vorliegenden Arbeit einer kritischen Analyse hinsichtlich der baupraktischen Anwendbarkeit der neuen Regelungen für numerisch gestützte Beulsicherheitsnachweise unterzogen werden. Das erfolgt anhand zweier umfangreicher Fallstudien mit fundiertem experimentellem Hintergrund. Die herangezogenen Beulversuche beziehen sich auf typische Schalenanwendungen, die aber auf einfache Weise mit konkreten fertigen Beulformeln nur unzureichend zu berechnen sind. Den beiden Fallstudien liegen Beulversuchsserien zugrunde, die am Institut für Metall- und Leichtbau (ehemals Fachgebiet Stahlbau / Holzbau) der Universität Duisburg-Essen durchgeführt wurden.
  Die erste Fallstudie beinhaltet Beulversuche an KZS mit exzentrisch rand- und längsversteiften Mantelöffnungen unter Axialdruck. Die Versuche werden in der vorliegenden Arbeit erstmals veröffentlicht, ausführlich dokumentiert und dienen als Grundlage für die analysierende Anwendung der EN-Nachweisformate für Schalenbeulsicherheit.
In der zweiten Fallstudie wird die Beulstabilität unversteifter und zusätzlich längsversteifter spiralgefalzter Stahlblechsilos unter Axialdruckbelastung behandelt.Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden ebenfalls als Grundlage für eine kritische Anwendung der verschiedenen Beulsicherheitsformate der EN 1993-1-6 verwendet.
  Aus den in den beiden Fallstudien gewonnenen Erkenntnissen werden abschließend Hinweise zur baupraktischen Anwendung der genormten, numerisch gestützten Beulsicherheitsnachweise zusammengestellt.

Der Schalenstab ist die optimale Tragstruktur zur Weiterleitung einer Druckkraft. Diese „Optimierungsaufgabe“ wurde übrigens bereits von der Natur gelöst – Getreidehalme sind bekanntlich weder massiv noch rechteckig-hohl, sondern rohrförmig. Diese Form, kombiniert mit dem festen Baustoff Stahl, liefert sehr leistungsfähige Tragstrukturen. Die Festigkeit des Stahls bewirkt jedoch gleichzeitig, dass die Konstruktionen schlank und dünnwandig werden und deshalb stabilitätsanfällig sind.

Schalen sind optimal stabile Tragstrukturen

Stahlbau ist eine Bauweise, die durch leichte, das heißt schlanke und dünne Tragkonstruktionen geprägt ist. Das ist eine Folge der hohen Festigkeit des Baustoffes Stahl. Die Leichtigkeit hat allerdings ihren „statischen Preis“. Er besteht darin, dass immer dann, wenn unter den einwirkenden Lasten in Teilen der Tragkonstruktion Druckkräfte entstehen, so genannte Stabilitätsprobleme beim Tragwerksentwurf im Vordergrund stehen.

ESSENER UNIKATE 23: Ingenieurwissenschaften – Bauwesen

mehr zu „Schalenbeulen im Stahlbau – Ein...”