Beschreibung
P 1271 – Anwendung des Strukturspannungskonzeptes bei ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen des Stahlbaus
Der vorliegende Abschlussbericht zur Anwendung des Strukturspannungskonzeptes bei ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen des Stahlbaus befasst sich mit strukturspannungsorientierten Bewertungsansätzen zu den Kerbdetails Längssteife, Quersteife und Kreuzstoß. Das Augenmerk liegt insbesondere auf den Auswirkungen herstellungsbedingter Imperfektionen und Dickeneffekten, die mittels geeigneter FEAnalysen und indirekter Spannungserhöhungsfaktoren untersucht werden.
Für dieses Ziel werden umfangreiche Parameterstudien zu FE-Schalen- und Volumenmodellen durchgeführt. Die numerischen Ergebnisse werden anhand eigener experimenteller Versuche verifiziert. Zu diesem Zweck werden sowohl statische Zug und Biegeversuche, als auch experimentelle Ermüdungsversuche durchgeführt und ausgewertet. Mithilfe der Ergebnisse kann zum einen die wirtschaftliche Anwendbarkeit des Strukturspannungskonzeptes gegenüber dem Nennspannungskonzept überprüft werden. Zum anderen können Vorgaben zu den Auswirkungen aus Imperfektionen und Dickeneffekten bestimmt werden, da die untersuchten Prüfreihen teilweise mit gewollten Imperfektionen und unterschiedlichen Dicken ausgeführt werden. 3DLaserscanvermessungen sämtlicher untersuchter Prüfkörper ermöglichen hierbei eine genaue Einschätzung der vorliegenden Imperfektionen. Auf diese Weise können Spannungskonzentrationsfaktoren zur indirekten Bestimmung von spannungserhöhenden Effekten exakt bestimmt und bereits vorhandene Regelungen verifiziert werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Strukturspannungskonzept bei Grundplatten mit beidseitig aufgeschweißten Längssteifen in vielen Fällen nicht wirtschaftlich anwendbar ist. Hierbei sei angemerkt, dass die Auswertung der statischen Versuchsreihen, unter Ansatz der normativen Kerbfälle der DIN EN 1993-1-9 [1], Richtlinien des International Institute of Welding [2] und prEN 1993-1-9 [3], regelwerksübergreifend einer breiten Streuung unterworfen ist. In Bezug auf Quersteifen und Kreuzstöße zeigt sich ein signifikanterer Einfluss aus Imperfektionen auf die maßgebende Strukturspannung.
Dennoch kann das Strukturspannungskonzept, basierend auf den derzeit gültigen normativen Kerbfallklassifizierungen, wirtschaftlich eingesetzt werden. Allerdings tendiert die Auswertung der Ermüdungsversuche an Kreuzstößen zu einem zu hoch angesetzten Kerbfall im Strukturspannungskonzept. 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. Im vorliegenden Forschungsbericht werden erweiterte Regelungen für die fachgerechte Anwendung des Strukturspannungskonzeptes aufgestellt. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde somit erreicht.
Veröffentlichung:
Juni 2022
Autoren:
Sc. N. Rausch, Prof. Dr.-Ing. M. Mensinger
