Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierung des Einflusses mechanischer Fügeverbindungen auf das Dämpfungsverhalten zusammengesetzter stahlbaulicher Tragwerkstrukturen

Dämpfungsverhalten von zusammengesetzten Tragwerkstrukturen. Innerhalb einer normgerechten konstruktiven Auslegung von zusammengesetzten Tragwerkstrukturen werden die modalen Eigenschaften zur Vermeidung von betrieblich bedingten Resonanzeffekten und der Ermittlung von einwirkenden Lasten benötigt. Jedoch werden die Kennwerte des Dämpfungsverhaltens für die zusammengesetzte Tragwerkstruktur entsprechend der Wahl der Fügestellenverfahrens abgeschätzt. Die abgeschätzten Kennwerte des globalen Dämpfungsverhaltens berücksichtigen keine stahlbaulich relevanten Gestaltungskriterien, insbesondere der Umsetzung der Fügeverbindung und der Reibflächenvorbehandlung, sodass keine exakte Bestimmung der Dämpfungskennwerte möglich ist. Daraus resultieren Unsicherheiten in der Abschätzung des dynamischen Verhaltens, die im Fall der ungenauen Lastenberechnung zu einen unwirtschaftlichem Materialeinsatz führen können. Zusätzlich kann die fügestellenbedingte Verschiebung der Eigenfrequenzen Resonanzeffekte infolge der betrieblichen Belastung hervorrufen, welche das Ermüdungsverhalten und damit die tatsächliche Lebensdauer der zusammengesetzten Tragwerkstruktur maßgeblich beeinflussen können. Aus der Untersuchung des Dämpfungsverhaltens werden Kennwerte für eine normgerechte Auslegung von mechanisch gefügten Tragwerkstrukturen bestimmt, durch die eine genauere Vorhersage des dynamischen Verhaltens und somit eine Verringerung des notwendigen Materialeinsatzes sowie Optimierung der Lebensdauervorhersage ermöglicht wird.

Der konkrete Nutzen für die Unternehmen ist, dass durch die bessere Berücksichtigung des Dämpfungsverhaltens von Fügeverbindungen in Stahlbaukonstruktionen diese genauer ausgelegt werden können und damit eine Materialeinsparung möglich ist. Außerdem können für die Nutzer der Konstruktionen größere Betriebsführungsbereiche erreicht werden. Damit steigt der Gebrauchswert der Stahlbaukonstruktionen. Die erweiterten Darlegungen zur wirtschaftlichen Umsetzung, die zeitnah erfolgen soll und in denen auf die Senkung von Material- und Herstellungsaufwand verwiesen wird, lassen eine rasche Anwendung der Forschungsergebnisse durch KMU erwarten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein Prüf- und Messkonzept entwickelt, welches valide Versuchsergebnisse in Form der Dämpfungseigenschaften von Schraubenverbindungen hervorbrachte. Gleichzeitig konnten charakteristische Parameter zur Beeinflussung der Fügestellendämpfung gefunden sowie spezifische Faktoren identifiziert werden, die klar definiert sein müssen, um aussagekräftige Ergebnisse gewährleisten zu können. Anhand dieser Erkenntnisse kann der Anwender abwägen, inwiefern reproduzierbare Dämpfungseigenschaften entsprechend vorkonfigurierter Verbindungen zur Optimierung einer Tragwerkstruktur beitragen auch unter Berücksichtigung der damit einhergehenden hohen fertigungstechnischen Realisierung präziser Fügeteiloberflächen. Zugleich wurde das Bewusstsein der im Projektausschuss befindlichen Unternehmen geschärft, dass fertigungsbedingte Formtoleranzen oder zufällige oberflächliche Unregelmäßigkeiten die Dämpfungscharakteristik spezifischer Verbindungskonfigurationen überlagern können. Zu den weiteren Ergebnissen zählt das erarbeitete FE-Modell, welches mit einer hohen Genauigkeit das dynamische Verhalten der Fügestellen abbilden kann. Anhand der experimentellen Untersuchungen wurde das FE-Modell erfolgreich validiert, sodass der betrachtete Parameterraum in der numerischen Simulation erweitert werden konnte und hieraus wesentliche Erkenntnisse zum Verständnis der physikalischen Reibmechanismen dynamische beanspruchter Fügestellen resultieren. Anknüpfend an die FE-Simulation erfolgte der Aufbau eines elastischen Mehrkörpermodells einer Testbaugruppe mit einer höheren Fügepunktanzahl. Dieser effiziente Modellierungsansatz eignet sich insbesondere für die Simulation des dynamischen Verhaltens von Großstrukturen. Durch die stringente und schlüssige Simulationsstrategie und Vorgehensweise werden die KMU befähigt, optimierte Fügekonfigurationen zu entwickeln, die die Strukturdämpfung eines Bauwerks positiv beeinflussen können.