Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ermittlung der Tragfähigkeit neuartiger stählerner Schalenbauwerke unter realitätsnaher

Berücksichtigung des Schweißverzugs

Neuerdings kommen im Stahlbau vermehrt versteifte Schalenbauwerke (sog. Monocoque) zum Einsatz. Bei dieser Bauweise besteht das Tragwerk aus einer dünnen Außen- und ggf. Innenhaut, die durch Spanten und Querschotte versteift ist. Mit den Methoden des Schiffbaus lassen sich Bleche beliebig doppelt krümmen, wodurch der Bau ausgesprochen eleganter, effizienter und materialminimierter Schalen möglich ist. Die Berechnung erfolgt heute überwiegend mithilfe der FEM. Eine geometrisch und materiell nichtlineare Analyse des imperfekten Schalentragwerks (GMNIA) besitzt den theoretisch höchst erreichbaren Realitätsgrad. Sie wird durchgeführt, wenn Beulen ein zu beachtender Grenzzustand ist. Die Nachweisqualität hängt entscheidend davon ab, ob die in das Rechenmodell eingeführten Imperfektionen die Wirkung der Imperfektionen realer Tragwerke äquivalent beschreiben. Hier bestehen große Kenntnislücken. Heute ist es prinzipiell möglich, die Schweißprozesseinflüsse zuverlässig vorauszusagen. Das am LFT entwickelte Hybridmodell bietet eine praxisrelevante Methodik zur Schweißsimulation großer Bauteile.

Aus Sicht der Tragwerksplanung ist eine Schnittstelle zur Schweißprozesssimulation zu realisieren. Zur Berücksichtigung einer Krümmung der Blechebene in ein und zwei Richtungen und zur Eigenspannungsanalyse bedarf das analytisch-numerische Hybridmodell zunächst einer systematischen Erweiterung. Anschließend sind die Ergebnisse über entsprechende Algorithmen in ein Modell zur nichtlinearen strukturmechanischen Analyse zu implementieren. Schließlich erfolgt die Validierung der Tragfähigkeitsberechnungen an experimentell gesicherten Werten der Tragfähigkeit. Ziel des Vorhabens ist es somit, eine robuste und zuverlässige Berechnungsmethodik für einen numerisch gestützten GMNIA-Nachweis geschweißter Schalenbauwerke durch die Implementierung hybrider Ansätze zur Erfassung der Schweißprozesseinflüsse bereitzustellen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die Auswirkung der Berücksichtigung realitätsnaher Schweißimperfektionen in numerischen Traglastberechnungen auf das Traglastverhalten von versteiften Schalenstrukturen untersucht. Für die Berechnung der Schweißimperfektionen wurde das analytisch numerische Hybridmodell herangezogen. Es wurde um die Erfassung von im Raum gekrümmten Konstruktionen, beidseitigen Schweißungen mit Überlagerung der Temperaturfelder sowie einer optimierten Berechnung von Schweißeigenspannungen erweitert und anhand zahlreicher experimenteller Untersuchungen validiert. Die Kopplung der Schweißimperfektionsberechnung mit einer Traglastberechnung wurde realisiert. Auch sie wurde mittels Experimente an ebenen und gekrümmten versteiften Blechen validiert. Es ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung aus berechneter und experimentell bestimmter Traglast. Abschließende Anwendungen an realen Großbauteilen zeigten ein enormes Potential hinsichtlich der potentiellen Traglasten mehrfach versteifter Bleche. Es ergaben sich anwendungsfallspezifische Traglasterhöhungen von bis zu 57 %. Die Anwendung der entwickelten Vorgehensweise zur Beulanalyse an einem Segment des Porsche Pavillons, bestehend aus einer Ober- und Unterschale sowie einer komplex gewölbten Trägerstruktur ergab sowohl erhöhte Druckspannungen als auch deutlich erhöhte Verschiebungen in den beulgefährdeten Bereichen der Unterschale. Da das Hybridmodell Schweißimperfektionen rein mechanisch berechnet, kann es ohne großen Aufwand in die Produktentwicklungs- und Optimierungsphase, vor allem in KMU eingesetzt werden. Die anschließende Kopplung mit Traglastberechnungen oder Beulanalysen ermöglicht es vor allem Berechnungsbüros, Schweißimperfektionen in ihren numerischen Berechnungen realitätsnäher abzubilden. Mit diesem Verfahren können nun auch unterschiedliche Schweißpläne hinsichtlich ihres Einflusses auf die Festigkeit bewertet werden.