Übersicht
Laufende Forschungsprojekte:
Abgeschlossene Forschungsprojekte:
- AiF IGF 20800 N - Formoptimierung von augeschweißten Lamellen unter Ermüdungsbeanspruchung
- AiF FOSTA P 1271/28/2018 - Anwendung des Strukturspannungskonzeptes bei ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen des Stahlbaus
- AIF FOSTA P 1033 - Ermüdungsnachweis von Schienen auf Basis bruchmechanischer Kriterien
- AIF 14771 N1 - Entwicklung und Aufbereitung wirtschaftlicher Bemessungsregeln für Stahl- und Verbundträger mit schlanken Stegblechen im Hoch- und Brückenbau
- AIF 16872 N - Ermittlung von Drehfedersteifigkeiten von Stahlbauanschlüssen zur Bestimmung des idealen Biegedrillknickmomentes
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
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, Hochschule München, 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
P 1271 - Anwendung des Strukturspannungskonzeptes bei ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen des Stahlbaus
- AiF-FOSTA-Forschungsprojekt (FOSTA-Nr.: P 1271/28/2018)
- Projektzeitraum: 11/2018 - 12/2021
- Projektpartner: FOSTA, Maurer, Rädlinger, Donges, SEH, IB Lutzens, 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.
Im Forschungsvorhaben konnten strukturspannungsorientierte Bewertungsansätze zu den Kerbdetails Längssteife, Quersteife und Kreuzstoß entwickelt werden. Das Augenmerk lag insbesondere auf den Auswirkungen herstellungsbedingter Imperfektionen und Dickeneffekten, die mittels geeigneter FE-Analysen untersucht wurden. Die Numerik wurde anhand eigener statische Zug- und Biegeversuche sowie an eigenen Ermüdungsversuchen verifiziert. Mithilfe der experimentellen und numerischen Ergebnisse konnte die wirtschaftliche Anwendbarkeit des Strukturspannungskonzeptes kritisch überprüft werden. Zusätzlich wurden Vorgaben zu den Auswirkungen aus Imperfektionen und Dickeneffekten definiert. Auf diese Weise konnten Spannungskonzentrationsfaktoren zur indirekten Bestimmung von spannungserhöhenden Effekten exakt bestimmt und bereits vorhandene Regelungen verifiziert werden. Außerdem wurden umfangreiche Parameterstudien zu FE-Schalen- und Volumenmodellen durchgeführt. Die Ergebnisse der Auswertungen zeigen, dass das Strukturspannungskonzept bei Längssteifen in vielen Fällen nicht wirtschaftlich anwendbar ist. In Bezug auf Quersteifen und Kreuzstöße zeigt sich ein signifikanterer Einfluss aus Imperfektionen. Jedoch kann das Strukturspannungskonzept, basierend auf den derzeit gültigen normativen Kerbfallklassifizierungen dennoch wirtschaftliche Ergebnisse liefern, falls die normativen Kerbfälle ihre Gültigkeit besitzen. Indes weisen die Ermüdungsversuche an Kreuzstößen auf einen zu hoch eingestuften Kerbfall im Strukturspannungskonzept hin. Zudem kann festgestellt werden, dass Geradezieheffekte zu reduzierten Spannungsschwingbreiten bei Ermüdungsversuchen führen. Diese Effekte finden normativ bisher keine Berücksichtigung. Folglich ist die generelle Anwendbarkeit des Strukturspannungskonzeptes in einigen Punkten kritisch zu hinterfragen. Allerdings konnten im Forschungsvorhaben geeignete Regelungen für dessen Anwendung aufgestellt werden. Der Schlussbericht wird in Kürze seitens FOSTA (Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.) veröffentlicht.
Zuständigkeit
Niclas Rausch
Forschungsförderung
AiF - Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
FOSTA - Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.
Das IGF-Vorhaben „Anwendung des Strukturspannungskonzeptes bei ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen des Stahlbaus“, IGF-Projekt Nr. 20336 N, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. An dieser Stelle möchten wir uns für die Förderung bedanken.
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
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
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.