Die Ermüdungsfestigkeit ist für viele Stahlkonstruktionen ein maßgebendes Bemessungskriterium. Brücken, Windenergieanlagen, Masten, Kranbahnen oder Hochregallager sind während ihrer gesamten Nutzungsdauer Millionen von Lastwechseln ausgesetzt. Besonders kritisch sind dabei Kerbstellen wie Bohrungen, thermisch geschnittene Kanten oder geschraubte Verbindungen, an denen Ermüdungsrisse entstehen können.

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens Nr. 01IF22531N (FOSTA P1665) „Weiterentwicklung der Kerbfallklassen nach EC3 für nichtgeschweißte Konstruktionsdetails unter Ansatz der synthetischen Wöhlerlinie unter Berücksichtigung stahlbautypischer Fertigungspraxis“ wurden die Einflüsse von Werkstofffestigkeit, Fertigungsverfahren und Oberflächenzuständen auf die Ermüdungsfestigkeit systematisch untersucht. Das Forschungsvorhaben wurde gemeinsam vom Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP, dem Bereich Maschinenbau/Verfahrens- und Umwelttechnik der Hochschule Wismar sowie dem Institut für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen durchgeführt.

Durch umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen an thermisch geschnittenen Kanten, Bauteilen mit Bohrungen sowie geschraubten Verbindungen konnten neue Erkenntnisse für die Weiterentwicklung der Ermüdungsbemessung gewonnen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass moderne Fertigungsverfahren, hochwertige Oberflächenzustände und höhere Werkstofffestigkeiten deutlich größere Potenziale bieten als bislang in den geltenden Regelwerken berücksichtigt werden.

Versuchsaufbau der untersuchten nichtgeschweißten Konstruktionsdetails

Die wichtigsten Ergebnisse auf einen Blick

• Die Werkstofffestigkeit wirkt sich positiv auf die Ermüdungsfestigkeit aus. Nichtgeschweißte Konstruktionsdetails profitieren deutlich von höheren Festigkeiten, insbesondere bei geringer Kerbwirkung.
• Thermisch geschnittene Kanten erreichen höhere Ermüdungsfestigkeiten als bisher angesetzt. Moderne Schneidverfahren und definierte Schnittkantenqualitäten ermöglichen wirtschaftlichere Bemessungsansätze.
• Oberflächenbehandlungen beeinflussen die Ermüdungsfestigkeit maßgeblich. Insbesondere das Reinigungsstrahlen konnte in zahlreichen Untersuchungen eine deutliche Verbesserung des Ermüdungsverhaltens bewirken.
• Gleitfest vorgespannte Schraubenverbindungen weisen eine außergewöhnlich hohe Ermüdungsfestigkeit auf. Aufgrund der reibschlüssigen und flächenförmigen Kraftübertragung wurden Ermüdungsfestigkeiten nachgewiesen, die teilweise auf dem Niveau des Grundwerkstoffs liegen.
• Neue Bemessungsvorschläge wurden entwickelt. Durch die Übertragung des Konzepts der synthetischen Wöhlerlinie auf typische Stahlbaukonstruktionen können Werkstoff-, Geometrie- und Fertigungseinflüsse künftig gezielter berücksichtigt werden.

Die Forschungsergebnisse bilden eine wichtige Grundlage für die zukünftige Weiterentwicklung der Bemessungsregeln nach Eurocode 3 und ermöglichen darüber hinaus die Ergänzung der FKM-Richtlinie. Gleichzeitig leisten sie einen Beitrag zu einer ressourceneffizienteren und wirtschaftlicheren Auslegung von Stahlkonstruktionen und unterstützen damit die Anforderungen moderner Infrastruktur- und Energiebauwerke.

Das Projekt "Weiterentwicklung der Kerbfallklassen nach EC3 für nichtgeschweißte Konstruktionsdetails unter Ansatz der synthetischen Wöhlerlinie unter Berücksichtigung stahlbautypischer Fertigungspraxis" wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das IGF-Vorhaben 01IF22531N / P1665 der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde an den Forschungseinrichtungen Fraunhofer IGP, Rostock, Hochschule Wismar und das Institut für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen durchgeführt.

Das Institut für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen bedankt sich bei den Fördermittelgebern. Darüber hinaus bedanken wir uns bei unseren Forschungspartnern für die enge und gute Zusammenarbeit sowie bei den beteiligten Institutionen und Unternehmen aus der Industrie für ihre Unterstützung im Rahmen des Forschungsvorhabens.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Mohammad Aljomaa M.Sc.

Das Bauen mit ETFE-Folien ist eine vergleichsweise junge Bauweise. ETFE-Folien wurden bereits zahlreich für die Verwirklichung prestigeträchtiger Gebäude eingesetzt und stellen den bisher ersten und einzigen Folienwerkstoff dar, der erfolgreich flächendeckend als tragendes Bauelement eingesetzt wurde. Derzeit existieren allerdings keine Normen für die Ausführung und Prüfung des essenziellen Schweißnahtdetails der Folienstrukturen. Weiterhin existieren keine systematischen Untersuchungen zu Mindestfestigkeiten von ETFE-Flächen­schweiß­nähten.

In dem von dem BMWK innerhalb der WIPANO-Initiative geförderten Forschungsvorhaben wurden standardisierte Verfahren und Methoden zur Qualitätssicherung der Ausführung von ETFE-Flächen­schweiß­nähte entwickelt. Diese umfassen die Qualifizierung der Einrichter und Bediener der Schweißeinrichtungen sowie der Schweißaufsicht und der für das Schweißen von ETFE-Folien genutzten Schweißprozesse des Heizelement-Rollbandschweißens (HR) und Heizelement-Wärmeimpulsschweißens (HI).

Um das Streckgrenzgesteuerte Vorspannverfahren im Stahlbau zu etablieren, wurden am Institut für Metall- und Leichtbau (IML) der Universität Duisburg-Essen sowie am Institut für Stahlbau (IfS) der Leibniz Universität Hannover im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens Nr. 20838 N „Streckgrenzgesteuertes Anziehen geschraubter Verbindungen M12 bis M72 im Stahlbau“ umfangreiche Untersuchungen an HV-Garnituren der Durchmesser M12, M24, M36, M64 und M72 durchgeführt. Anhand der Versuche wurde die Prozesssicherheit des Anziehverfahrens in Verbindungen mit HV-Garnituren der Schraubendurchmesser M12 bis M36 und eingeschränkt für den Schraubendurchmesser M72 nach­ge­wiesen und normative Handlungsempfehlungen erarbeitet. Außerdem wurde die strukturelle Integrität von HV-Garnituren, die in den Bereich der Streckgrenze vorgespannt wurden, bestätigt. Zu den Untersuchungen gehörten Anziehversuche an Anziehprüfständen für mechanische Verbindungselemente sowie Anziehversuche mit unterschiedlichen Anziehgeräten. Neben einer Einfachverwendung wurde auch eine Mehrfachverwendung von HV-Garnituren und einzelner Komponenten untersucht. Um die strukturelle Integrität von HV-Garnituren, die in den Bereich der Streckgrenze vorgespannt wurden, zu validieren, wurden Tragfähigkeits- und Ermüdungsversuche durchgeführt.

Im Stahlbau werden geschraubte Verbindungen aus Gebrauchstauglichkeitsgründen oder aus Gründen der Tragfähigkeit vorgespannt. Dabei wird zwischen der Zielebene I und der Zielebene II unterschieden. Die Zielebene I (tragfähigkeitsrelevant) beschreibt gleitfeste Verbindungen der Kategorie B/C sowie auf Ermüdung beanspruchte Zugverbindungen der Kategorie E. Bei vorgespannten Verbindungen der Zielebene I geht die Vorspannkraft in den rechnerischen Nachweis ein. Aufgrund dessen ist zu gewährleisten, dass die Vorspannkraft über die Lebensdauer eines Tragwerkes in den ausgeführten Verbindungen verbleibt. Die Zielebene II (Gebrauchstauglichkeit) wird für die Kategorien A und D eingesetzt, um Schlupf und Verformung zu vermeiden. Bereits unmittelbar nach der Montage kommt es aufgrund von Setz- und Kriecheffekten oder zyklischer Belastung zu einem Abfall der eingebrachten Vorspannkraft.

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens Nr. 21196 BG „Vorspannkraftverluste vorgespannter Schraubverbindungen im Stahlbau mit allseits beschichteten Oberflächen“ sind die Einflüsse von ausgewählten Anziehverfahren und stahlbautypischen Beschichtungssystemen ((lösemittelarme) Nasslacksysteme auf niedrig legierten Stahl, Pulver-Beschichtungssysteme nach DIN 55633 auf niedrig legierten Stahl, Pulverbeschichtungssysteme nach DIN 55633 auf feuerverzinkten Stahl mit anschließendem Sweep-Strahlen sowie Duplexsysteme mit Nasslackbeschichtung auf feuerverzinkten Stahl) auf die resultierenden Vorspannkraftverluste von geschraubten vorgespannten Verbindungen nach DIN EN 1993-1-8 untersucht worden, welche der Kategorien B/C und Kategorie E und damit der Zielebene I zugeordnet werden können, aber auch ...

Neue Veröffentlichung zur wirtschaftlicheren Bemessung von Schrauben aus nichtrostendem Stahl unter Zug- sowie kombinierter Zug-Abscher-Beanspruchung frei verfügbar

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Entwicklung normativer Grundlagen zum Tragverhalten von zugbeanspruchten Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem austenitischen und austenitischen-ferritischen (Duplex) Stahl M12 bis M36“ wurden am Institut für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen neue und wirtschaftlichere Bemessungsregeln von Schrauben aus austenitischen und Duplex-Stahl unter Zug-, Abscher- und kombinierter Zug-Abscher-Beanspruchung entwickelt. Die neuen Bemessungsregeln für Schrauben aus nichtrostendem Stahl wurden bereits in die Revision der EN 1993-1-4 sowie in die neue abZ abG Z-30.3-6:2022 implementiert.

Die theoretischen, experimentellen und statistischen Hintergründe der neuen Bemessungsregeln zur Zug- und kombinierten Zug-Abschertragfähigkeit wurden nun im Journal of Constructional Steel Research (Volume 198, November 2022, 107536) veröffentlicht und stehen für eine begrenzte Zeit frei zum Download bereit:

Stranghöner, N., Abraham, C.

Tension and interaction resistance of austenitic and duplex stainless steel bolts, Journal of Constructional Steel Research 198 (2022), 107536, DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107536

Link: https://authors.elsevier.com/a/1flqA,3HWfEMTS

Der Hintergrund zu der wirtschaftlicheren Bemessung der Abschertragfähigkeit von nichtrostenden Schrauben wurde bereits 2021 veröffentlicht:

Stranghöner, N., Abraham, C.

Shear resistance of austenitic and duplex stainless steel bolts, Journal of Constructional Steel Research 184 (2021), 106807, DOI: 10.1016/j.jcsr.2021.106807

Das Forschungsvorhaben (IGF-Nr. 20651 N / FOSTA Nr. P1386) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Projektlaufzeit betrug 24 Monate (01.04.2019 - 31.03.2021).

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Christoph Abraham, M.Sc.

The SIROCO project intends (a) to provide more clear and improved procedures to increase the cost effectiveness of slip-resistant connections, (b) to develop innovative surface preparation systems and preloading methods for carbon steel connections, (c) enhance the use of injection bolts as an economical alternative for slip-resistant connections, (d) to solve the lack in knowledge in the design of slip-resistant connections in stainless steel to increase the competitiveness of stainless steel structures.

Contact person at the Institute for Metal and Lightweight Structures: Nariman Afzali M.Sc.

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