Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Berücksichtigung von Reihenfolgeeffekten bei der Lebensdauerabschätzung von Hohlprofilkonstruktionen

Konstruktionen aus Hohlprofilen besitzen ein großes wirtschaftliches Potenzial aufgrund der Möglichkeit zur Ausbildung von Leichtbaukonstruktionen und der Anwendung von höherfesten Stählen. Rahmen- und Fachwerkstrukturen aus Hohlprofilen werden daher bevorzugt im Nutzfahrzeugbau, im Stahlbau, im Kranbau und im Landmaschinenbau sowie bei Windenergieanlagen eingesetzt. Hohlprofilkonstruktion erfahren dabei hohe zyklische Beanspruchungen, so dass die Materialermüdung eine der grundlegenden Schadensursachen darstellt. Die Ermüdungsfestigkeiten wurden bisher aus Versuchen mit Einstufenkollektiven an niedrigfesten Stählen abgeleitet. Die Übertragung auf die realen Betriebslastkollektive erfolgt bei den derzeitigen Bemessungsverfahren in der Praxis auf Basis der Palmgren-Miner-Regel mit einem pauschalen Grenzwert für die Schädigungssumme von 1,0 unabhängig von der Festigkeit des Stahls und der Kollektivform. Mit dieser Methode bleiben allerdings günstig aber auch ungünstig wirkende Reihenfolgeeffekte aus einem realen Betriebslastenkollektiv unberücksichtigt. Verschiedene Untersuchungen zeigen, dass die einfach anwendbare Miner-Regel teilweise wenig zutreffend ist. In der IIW und in der FKM-Richtlinie wird daher bereits empfohlen konservativ eine Schadenssumme von 0,5 als Grenzwert anzuwenden. Dies führt allerdings zwangsläufig zu deutlich schwereren Konstruktionen.

Im Rahmen des geplanten Forschungsprojekts werden ca. 150 Ermüdungsversuche unter Anwendung von realen Betriebslastkollektiven durchgeführt. Als Prüfkörper kommen typische Hohlprofilkonstruktionen aus dem Anwendungsbereich des Kranbaus und des Nutzfahrzeugbaus zur Anwendung. Auf Basis der hierdurch gewonnenen Erkenntnisse werden Anpassungsfaktoren für bestehende Nachweisverfahren zur Erfassung von realitätsnahen Betriebslastkollektiven für die Lebensdauerabschätzung bereitgestellt, um einen konsequenten und wirtschaftlichen Leichtbau bei der Anwendung von Hohlprofilkonstruktionen für KMUs zu erreichen.

Ergebniszusammenfassung:

Gegenstand des Forschungsvorhabens waren experimentelle und numerische Untersuchungen zur Lebensdauerabschätzung von Hohlprofilkonstruktionen unter zyklischen Betriebsbeanspruchungen, um bei der Ausbildung von Leichtbaukonstruktionen eine optimale Werkstoffausnutzung zu erreichen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnten die folgenden Erkenntnisse für die Auslegung von Hohlprofilkonstruktionen im Anwendungsbereich des Kranbaus und des Nutzfahrzeugbaus erzielt werden:

- Auf Grundlage von 108 Versuchen an Hohlprofilen im Anwendungsbereich des Kranbaus zeigt sich ein deutlicher Einfluss der Reihenfolge auf die Lebensdauer. So weisen ausnahmslos alle durchgeführten Blockversuche geringe Lebensdauern auf als Randomversuche mit zufallsartiger Belastung. Auch einen Einfluss von Überlasten auf die Lebensdauer konnte durch Versuche festgestellt werden.

- Auf Grundlage von 88 Versuchen an Hohlprofilen im Anwendungsbereich von Busstrukturen zeigte sich ebenfalls ein Einfluss der Reihenfolge auf die Lebensdauer. Darüber hinaus konnte eine deutliche Festigkeitssteigerung von handgeschweißten Proben im Vergleich zu robotergeschweißten Proben festgestellt werden. Der höherfeste Werkstoff 1.4678 mit einer Festigkeit von ca. 800 MPa führt außerdem zu einer höheren Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zu dem Werkstoff S460MH.

- Die Untersuchungen zeigten, dass die Vorgabe einer pauschalen Schadenssumme ohne Berücksichtigung der Kollektivform und der Belastungsreihenfolge zu unsicheren oder zu unwirtschaftlichen Konstruktionen führen kann. Die Auswertung der Versuchsergebnisse ergaben, dass eine effektive Schadenssumme von 0,2 eine sichere Auslegung für Betriebslasten erlaubt. In vielen Fällen kann diese Auslegung sehr konservativ sein und Leichtbaupotenzial verschenken. Sind möglichst viele Informationen über das Betriebslastkollektiv bekannt, können mitunter effektive Schadenssummen > 1,0 verwendet werden, um leichtere Hohlprofilkonstruktionen dadurch zu realisieren.