Fostabericht P 758 - Verbesserte Ausnutzung der Festigkeit hochfester Druckbehälterstähle durch Erfassung des Grenzzustands der Tragfähigkeit mit Hilfe der FließbruchmechanikFostabericht P 758 - Verbesserte Ausnutzung der Festigkeit hochfester Druckbehälterstähle durch Erfassung des Grenzzustands der Tragfähigkeit mit Hilfe der Fließbruchmechanik

P 758 – Verbesserte Ausnutzung der Festigkeiten hochfester Druckbehälterstähle durch Erfassung des Grenzzustands der Tragfähigkeit mit Hilfe der Fließbruchmechanik

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P758

ISBN: 978-3-942541-25-1 Artikelnummer: P758 Kategorien: ,

Beschreibung

P 758 – Verbesserte Ausnutzung der Festigkeiten hochfester Druckbehälterstähle durch Erfassung des Grenzzustands der Tragfähigkeit mit Hilfe der Fließbruchmechanik

Das vorliegende Forschungsvorhaben hatte die Ableitung realistischer Sicherheitsfaktoren für den Festigkeitsnachweis unbefeuerter Druckbehälter aus hochfesten Stählen als Zielstellung. Dazu wurde eine reproduzierbare Methodik zur Bestimmung von realistischen Sicherheitsfaktoren entwickelt, die auf probabilistischen Ansätzen beruht und die duktile Rissinitiierung sowie die plastische Instabilität als Grenzzustände betrachtet.
Mit Hilfe von Schädigungskurven wurden Grenzzustandsanalysen an Modelldruckbehältern durchgeführt, welche die lokale, zur duktilen Rissinitiierung führende plastische Vergleichsdehnung als Funktion der Spannungsmehrachsigkeit beschreiben. Im Rahmen von  werkstoffmechanischen Untersuchungen wurde weiterhin eine Vorgehensweise entwickelt, mit deren Hilfe sich der Streubereich dieser Schädigungskurven für eine Werkstoffsorte ableiten lässt. Als wesentliche Parameter fließen in die Ableitung dieser Streubereiche die von der Norm geforderten Mindestkerbschlagarbeitswerte bei Raumtemperatur sowie die erfahrungsbasiert geschätzten höchsten Kerbschlagarbeitswerte ein. Es konnte gezeigt werden, dass sich alle bestimmten Schädigungskurven (auch die der Schweißverbindungen) in die identifizierten Streubereiche eingliedern.  Auf Grundlage der Ergebnisse strukturmechanischer Berechnungen in Verbindung mit validierten Schädigungskurven wurden  Sicherheitsbeiwerte für die Auslegung von unbefeuerten Druckbehältern unter Innendruck abgeleitet. Zu diesem Zweck wurden Modelldruckbehälter mit unterschiedlichen repräsentativen Details ausgewählt und unter dem Lastfall „Innendruck“ untersucht. Dazu wurden die Behälter zunächst nach den aktuell gültigen Normen unter Verwendung von Formeln (DBF) und durch Analyseverfahren (DBA) für die ausgewählten Untersuchungswerkstoffe in den ausgesuchten Werkstoffdicken ausgelegt. Im Anschluss erfolgte die Untersuchung des Versagensverhaltens der Modelldruckbehälter durch die Durchführung numerischer Berechnungen unter Berücksichtigung geometrischer und werkstofflicher Nichtlinearitäten mit durch die Werkstoffmechanik bestimmten und validierten Schädigungskurven und die Identifizierung maßgebender Details sowie ihrer Versagensstellen.
Die auf diese Weise bestimmten elastischen Grenzdrücke pe, Berstdrücke pmax und Drücke bei duktilerRissinitiierung pi wurden als Ergebnisse virtueller Experimente angesehen, da mit Hilfe der Schädigungskurven das Versagen des Druckbehälters im Hinblick auf eine duktile Rissinitiierung vorhergesagt werden kann. Auf dieser Datenbasis erfolgte im letzten Schritt die Ableitung von Sicherheitsbeiwerten nach Anhang D der EN 1990 unter Zugrundelegung von Auslegungsformeln für den Lastfall „Innendruck“. Die ermittelten Sicherheitsbeiwerte zeigen, dass in den bisherigen
Festlegungen die festigkeitsabhängigen Besonderheiten und das tatsächliche Versagen des Behälters nicht ausreichend berücksichtigt wurden und dass die Zugfestigkeit mit einem zu hohen Sicherheitsbeiwert beaufschlagt wird.
Das Forschungsvorhaben wurde vom Institut für Eisenhüttenkunde und vom Institut für Stahlbau und Lehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau der Rheinisch-Westfälisch Technischen Hochschule Aachen, sowie dem Ingenieurbüro für  Werkstofftechnik, Aachen mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt.

Autoren:
W. Bleck, S. Münstermann, C. Schruff, M. Feldmann, D. Schäfer, P. Langenberg

Veröffentlichung:
2014