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    Forschungsvorhaben:

    Tragverhalten von geschweiten Bauteilen aus Stahlguss unter Bercksichtigung von Imperfektionen und Eigenspannungen (Stand: August 2013)

    Projektnummer: DVS-Nr. 09.062 / IGF-Nr. 17.745 Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Max Spannaus (IWE) Frderung: DVS-Forschung, AIF, BMWi Starttermin: 04/2013 Endtermin: 10/2015

    1. Anlass fr den Forschungsantrag

    Rumliche Tragstrukturen mit komplexen Anschlssen werden seit einigen Jahren im mo-dernen Hoch- und Brckenbau aber auch im Maschinen- und Anlagenbau verstrkt durch den Einsatz von Stahlgussbauteilen realisiert. Die rechnerische Traglast dieser Bauteile ist an die spteren Ausfhrungsqualitt (zulssige Imperfektionen) gekoppelt. D.h. schon in der Planungs- und Berechnungsphase muss der Konstrukteur die angestrebte Gtestufe des Bauteils festlegen. Da es derzeit keine systematischen Untersuchungen zum Einfluss von Lage, Gre und Kerbschrfe von Imperfektionen auf das Tragverhalten von Stahlgussbau-teilen gibt, werden meist zu hohe und damit kostenintensive Anforderungen an die Ausfh-rungsqualitten gestellt. Zustzlich stellen die nationalen und europischen bauaufsichtlichen Regelungen ein Hemmnis fr die Anwendung von Stahlgussbauteilen als Verbindungselement dar. Die Vor-gaben der DIN EN 1993-1-1 lassen die Bauweise entweder gar nicht oder in Deutschland (NAD) nur eingeschrnkt fr das Bemessungsverfahren elastisch-elastisch (E-E) zu. Die Ausnutzung plastischer Querschnittsreserven (E-P) oder plastischer Systemreserven (P-P) ist nicht zulssig, obwohl eine Vielzahl an Bauteilversuchen zeigt, dass die nach den techni-schen Regeln fr Stahlgussbauteile hergestellten Gussstcke auch im geschweiten Zu-stand eine hervorragende Bruchdehnung aufweisen. Die Realisierung von geschweiten Stahlgusskonstruktionen unter Bercksichtigung plastischer Querschnitts- oder Systemre-serven ist somit in Deutschland nur mit einer aufwendigen und teuren Zustimmung im Einzel-fall mglich.

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    2. Ausgangssituation

    Fr komplexe Geometrien, die oftmals hochbeansprucht sind, bietet es sich an, Knotenpunk-te aus Stahlguss auszufhren. Die Mglichkeit der nahezu freien Geometrieausbildung er-laubt es, eine dem Spannungsverlauf optimal folgende, nahezu gleichmig ausgenutzte Knotenform zu realisieren. Zustzlich kann in den meisten Fllen die Schweiaufgabe von einer kompliziert auszufhrenden dreidimensionalen Schweinaht auf eine einfache und gut automatisierbare zweidimensionale Stumpfnahtberfhrt werden, welche nicht im Bereich der hchsten Spannungen liegen. Trotz moderner Gieverfahren und neu entwickelter Werkstoffe neigt Stahlguss auf Grund seiner dendritischen Erstarrung zu Schwindungshohlrumen (Lunker). Aber auch Gasblasen, Sand-, Schlacken- und Schaumstellen, Warm- und Kaltrisse, Seigerungen und weitere nicht-metallische Einschlsse knnen bei der Herstellung von Gussbauteilen auftreten. In Abbildung 1 ist exemplarisch eine Schweiverbindung mit den im Rahmen der zerst-rungsfreien Prfung anzuwendenden Regelwerken (hier nur US-Prfung) dargestellt.

    Abbildung 1: Exemplarische Darstellung einer Stahl-Stahlgussverbindung mit zulssigen Imperfektionen

    Fr das Halbzeug und die Schweinaht basieren die normativen Regelungen auf einer gro-en Anzahl wissenschaftlicher Untersuchungen. Ausreichendes plastisches Verformungs-vermgen und Sprdbruchsicherheit knnen beim Einhalten dieser Regelungen vorausge-setzt werden. Auf Seiten des Gussstckes werden dem Konstrukteur zwar genaue Kenngren ber zu-lssige Imperfektionen gegeben, es sind jedoch durch nur unzureichende Kenntnisse zum

    Bew

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    enDI

    N EN

    ISO

    581

    7

    Halbzeug

    Sch

    wei

    nah

    t

    US-PrfungDIN EN 12680-1

    1 3 t

    13 t

    13 t

    Kernzone

    Gussstck

    Randzone

    Randzone

    F < 10 cm

    F < 100 cm

    Bezugsflche1500 cm(39 cm x 39 cm)

    max. 5 Stckin der Randzone

    max. 6 Reflektoren< 3 mm

    Bezugsflche10 cm x 10 cm

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    Einfluss dieser Imperfektionen auf das Tragverhalten vorhanden. Daher gibt es fr den Kon-strukteur keinen klar geregelten Zusammenhang zwischen Gtestufen und Tragfhigkeit.

    3. Ziele und Methodik

    Das Hauptziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung einer fundierten Grundlage fr die plastische Bemessung von geschweiten Bauteilen aus Stahlguss. Die Beschreibung des elastischen und insbesondere des plastischen Tragverhaltens soll hierbei auf der bestehenden Einteilung der Gussbauteile in Gtestufen erfolgen. Von magebender Bedeutung fr das Tragverhalten geschweiter Konstruktionen ist der Bereich nahe der Schweinaht. Deshalb stellt die Untersuchung des Einflusses des Schweiprozesses (Ge-fahr der Bauteilversprdung durch die Entstehung von mehrachsigen Eigenspannungen und aufgrund erhhter Hrten) in Kombination mit geometrischen Imperfektionen oder Ungnzen aus dem Gieprozess einen weiteren Schwerpunkt dar. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes werden die ungengenden Kenntnisse ber das Tragverhalten von geschweiten Gussbauteilen magebend erweitern. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen die folgenden Arbeitsschritte dienen: Zusammenstellung und Bewertung bemessungsrelevanter Imperfektionen anhand einer

    Feldstudie sowie begleitender bruchmechanischer und numerischer Untersuchungen auf Basis der vorhandenen Einteilung von Gussbauteilen in Gtestufen.

    Detektierbarkeit relevanter Ungnzen mit zerstrungsfreien Prfverfahren. Dabei soll neben den gngigen ZfP-Verfahren wie US-Prfung und RT-Prfung auch erstmals In-duktionsthermografie zum Einsatz kommen.

    Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Sprdbruchverhalten und zur plastischen, quasi statischen Tragfhigkeit von geschweiten Bauteilen aus Stahlguss. Dabei soll gezeigt werden, dass Bauteile aus Stahlguss auch mit Werkstoff und Bauteil-diskontinuitten ein ausreichendes Verformungsvermgen aufweisen.

    Entwicklung einer Bemessungsempfehlung zur plastischen Bemessung von Verbindun-gen mit Stahlgussbauteilen sowie berprfung und ggf. berarbeitung der Anforderun-gen an die Werkstoffzhigkeit nach DIN EN 1993-1-10 und zulssigen Ausnutzungsgra-de nach DIN EN 1993-1-8.

    Die auf systematischen Untersuchungen basierenden, angestrebten Ergebnisse ermglichen die Erstellung von Empfehlungen zur plastischen Bemessung von Gussbauteilen und liefern grundlegende Erkenntnisse zur Werkstoffzhigkeit von Stahlguss unter Bercksichtigung ungnstiger Randbedingungen.

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    4. Ergebnisse

    Zum derzeitigen Zeigpunkt, liegen noch keine konkreten Ergebnisse vor. Nach Projektstart wurden zunchst die Probekper zusammen mit den Gieerein durch simulation mit der Software MAGMA festgelegt. Die ersten Probekrper sollen noch in diesem Jahr gegossen und geprft werden. Zur Erreichung des Forschungsziels werden die wissenschaftlichen/technischen Arbeiten des Vorhabens in drei bergeordnete Schwerpunkte aufgeteilt. Die Schwerpunkte gliedern sich wie folgt: Im ersten Schwerpunkt werden grundlegende Informationen zu den Werkstoffeigen-

    schaften sowie zu den geometrischen Imperfektionen von Bauteilen aus Stahlguss erar-beitet. Weiterhin wird durch zerstrungsfreie Prfung der Gussbauteile die Detektierbar-keit der geometrischen Ungnzen geprft. Dieser Schwerpunkt definiert damit die Rand-bedingungen fr die in Schwerpunkt zwei und drei geplanten Untersuchungen.

    Experimentelle Untersuchungen bilden den Kern des zweiten Schwerpunktes. Zur Be-schreibung des elastischen und plastischen Tragverhaltens in Anlehnung an die Gte-stufen werden Versuche an Proben mit gusstypischen Imperfektionen durchgefhrt. Zur Bestimmung der Anforderungen an die Sprdbruchsicherheit sind Versuche an Proben mit scharfem Anriss und ungnstigsten Bauteileigenschaften geplant. In Schwerpunkt zwei werden somit grundlegende und systematische Erkenntnisse ber die Tragfhigkeit und Zhigkeit der geschweiten Stahl-Stahlguss-Verbindung erarbeitet. Die Versuchs-ergebnisse bilden die Basis sowohl fr die numerischen als auch fr die bruchmechani-schen Untersuchungen.

    Den dritten Schwerpunkt stellen numerische Untersuchungen dar. Diese begleiten die experimentellen Untersuchungen. Die numerischen Modelle werden mit den Versuchs-ergebnissen abgeglichen und knnen an diesen validiert werden. Sie ermglichen es, den Einfluss einzelner Kenngren auf das Tragverhalten herauszuarbeiten und mit Pa-rameterstudien eine Sensitivittsanalyse durchzufhren. Die numerischen Untersuchun-gen erweitern das Parameterfeld der Versuche und tragen zum vertieften Verstndnis des Tragverhaltens bei.

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    5. Durchfhrende Forschungsstelle

    Karlsruher Institut fr Technologie (KIT) Versuchsanstalt fr Stahl, Holz und Steine, Abteilung Stahl- und Leichtmetallbau Kaiserstrae 12 76131 Karlsruhe Tel.: 0721/608-42215 Fax: 0721/608-44078 Leiter der Forschungsstelle: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer

    T: +49(0)721 608 42215 E: [email protected]

    Projektleiter: Dipl.-Ing. Max Spannaus (IWE) T: +49(0)721 608 47843 E: [email protected]

    6. Partner