Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Innovative Tragfähigkeitsanalyse geschweißter Stahlbauteile mit Hilfe der Schädigungsmechanik

Die in den aktuellen Regelwerken des Stahlbaus verankerten Festigkeitskriterien für geschweißte Stahlbauteile basieren auf einfachen Ingenieurmodellen, bei denen die Grenzlastvorhersage näherungsweise mit der Zugfestigkeit des Materials verknüpft wird. Gleichwohl die Parameter dieser Tragfähigkeitsfunktion an Versuchen kalibriert wurden, weisen sie nur begrenzte Vorhersagegenauigkeiten auf, da das tatsächliche Versagensverhalten durch die zugrunde liegende Modellvorstellung nicht erfasst wird. Die derzeit vorhandenen Streuungen entstammen größtenteils dieser Nichtberücksichtigung des tatsächlichen Bruchmechanismus und der vorausgehenden Schädigungsgeschichte, die maßgebend von den tatsächlichen Zähigkeitseigenschaften des Werkstoffs abhängen. Im geplanten Forschungsvorhaben sollen deswegen neue, verbesserte Festigkeitskriterien für geschweißte Stahlbauteile entwickelt werden, die insbesondere für die Anwendung höherfester Stahlsorten von größter Bedeutung sind. Bislang kommen diese Stähle unberechtigterweise kaum zum Einsatz, da die Bemessungsnorm aufgrund mangelnder Kenntnis der Versagensmechanismen hochfeste Stähle zu restriktive Anforderungen enthalten. Der methodische Ansatz beruht auf der mikromechanischen Erfassung des wahren Bruchverhaltens durch Implementierung eines geeigneten Rissinitiierungskriteriums zur Versagensdetektion. Für geschweißte Bauteile erfordert das schädigungsmechanische Konzept die Berücksichtigung unterschiedlicher Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften von Grundmaterial, Schweißnaht und Wärmeeinflusszone. Hiermit können neue, verbesserte Festigkeitskriterien abgeleitet werden was ökonomische und ökologische Vorteile - etwa durch Kosten- und Energieeinsparung bei geringerem Materialaufwand, für die KMU orientierte Stahlbaubranche und die qualitätsorientierte Stahlindustrie verspricht.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Projekt wurde das Tragverhalten geschweißter Verbindungen, insb. mit hochfesten Stählen, experimentell sowie mit schädigungsmechanischen Simulationen untersucht. Dafür wurde zunächst eine Methodik entwickelt, die es erlaubt, schädigungsmechanische Parameter für die Wärmeeinflusszone und das Schweißgut abzuleiten. Es wurde ein Ansatz zur Berücksichtigung der Netzgrößenabhängigkeit entwickelt, für die Anwendung aufbereitet und in kommerzielle FE-Software implementiert. Die numerischen Modelle konnten an Labor- und Bauteilversuchen validiert werden. Darüber hinaus konnten numerische Studien zu geometrischen und werkstofflichen Einflüssen auf das Tragverhalten durchgeführt werden.

Das Ergebnis der experimentellen und numerischen Untersuchung ist, dass der Einfluss der weichen Zonen im Bereich der Wärmeeinflusszone und auch Softening auf das Tragverhalten deutlich geringer ist, als es die Festigkeitsunterschiede vermuten lassen. Darauf aufbauend konnte Optimierungspotential in den Bemessungsregeln durch einen Ansatz einer gewichteten Zugfestigkeit aus der Zugfestigkeit von Grundwerkstoff und Schweißgut, nutzbar gemacht werden. Eine Anwendung ist durch die Verbreitung der Ergebnisse in den entsprechenden Normen gegeben.

Insgesamt lässt sich festhalten, dass der Einfluss weicher Zonen im Bereich der Wärmeeinflusszone, nicht direkt mit Traglasteinbußen einhergeht.

Die Ergebnisse fördern die Verwendung hochfester Stähle zukünftig, wodurch insb. die planenden Unternehmen, z.B. Ingenieurbüros, wie auch Fertiger, die überwiegend auf dem Bereich KMUs stammen, profitieren werden. Darüber hinaus wird der Wirtschaftsstandort Deutschland gestärkt, da Qualifikationen bei der Herstellung von Schweißverbindungen hochfester Stähle hier verfügbar sind. Die Ergebnisse ermöglichen wirtschaftlichere Stahlkonstruktionen, wodurch der Ressourcenverbrauch gesenkt und die Verwendung des Werkstoffes Stahl gefördert wird.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.