Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Anwendung des Strukturspannungskonzeptes bei ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen des Stahlbaus

Beim Strukturspannungskonzept wird die komplexe Geometrie des zu untersuchenden Details mit Hilfe von FEM berechnet. Dabei müssen zulässige Toleranzen, Imperfektionen etc. im Modell berücksichtigt werden. Die ermittelten Spannungen sind aufgrund von Singularitäten sehr von der Güte des FE-Netzes abhängig. Normative Regelungen/Empfehlungen zur Modellierung fehlen bis dato im EC 3. Folglich kommt es in der Praxis häufig zu fehlerhaften Anwendungen und Planungsunsicherheiten. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll daher ein verbessertes Bemessungskonzept für Ermüdungsnachweise entwickelt werden. Die Basis hierfür stellen Strukturspannungen dar, die mit ebenen FE-Modellen berechnet werden.

Zu diesem Zweck werden per FE-Analyse die Kerbfaktoren für ausgewählte Verbindungen bestimmt. Hierzu dient das Kerbspannungskonzept unter Berücksichtigung der Einflüsse aus Imperfektionen. Zusammen mit der entsprechenden Kerbspannungswöhlerlinie und der zugehörigen Ermüdungsfestigkeit soll der Bezugswert für die untersuchten Strukturspannungskerbfälle überprüft und bei Bedarf neue Kerbfälle angegeben werden. Zur Verifizierung der Ergebnisse werden Spannungskonzentrationen an eigenen Versuchen gemessen. Zusätzlich werden für den Einfluss aus Imperfektion Versuche an ideellen und imperfekten Kreuzstößen durchgeführt. Zudem werden bereits vorhandene Versuchsergebnisse zum Vergleich herangezogen.

Für eine sichere Anwendung des Verfahrens sollen dann unter Berücksichtigung der in der Literatur angegebenen Empfehlungen allgemeingültige Regeln für die Modellierung der Details entwickelt werden. Ziel ist es, dem Anwender FE-Referenzmodelle mit Ergebnissen zur Eichung der eigenen FE-Netze zur Verfügung zu stellen. Es wird angestrebt, das Verfahren in eine überarbeitete Fassung der DIN EN 1993-1-9 oder in eine entsprechende DASt-Richtlinie einfließen zu lassen. KMUs profitieren letztlich von einer verbesserten und v. a. verlässlicheren Bemessung mit Hilfe des Strukturspannungskonzepts.

Ergebniszusammenfassung:

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 statischer 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.