Beschreibung
P 950 – Dehnungsbasierte Bemessungskriterien für unbefeuerte Druckbehälter: Demonstration eines erweiterten DBF-Verfahrens
Hochfeste Stähle ermöglichen eine deutliche Reduktion des Material- und Energieeinsatzes z.B. durch verringerte Wanddicken und verkürzte Schweißzeiten. Trotzdem finden diese Werkstoffe derzeit im Druckbehälterbau kaum Anwendung. Ein Grund hierfür sind die in den Regelwerken vorgeschriebenen geringeren zulässigen Ausnutzungsgrade der Streckgrenze aufgrund von hohen Sicherheitsfaktoren auf die Zugfestigkeit. Diese normativen Vorgaben beruhen jedoch auf Erfahrungen mit normalfesten Stählen und berücksichtigen nicht die sehr guten Zähigkeitseigenschaften moderner hochfester Stähle. Schädigungsmechanische Modelle sind in der Lage, das Versagen von hochfesten Stählen in Finite-Elemente-Simulationen wiederzugeben. Probabilistische Sicherheitskonzepte, wie z.B. in EN 1990 definiert, können ausgehend von Bauteilversuchen gezielt Sicherheitsfaktoren für ein gewünschtes Zuverlässigkeitsniveau ableiten. Die Kombination beider Ansätze stellt eine innovative Möglichkeit zur Ableitung verbesserter Sicherheitsfaktoren für hochfeste Stähle dar. Dadurch wird die Anwendung probabilistischer Konzepte im Druckbehälterbau überhaupt erst ermöglicht, da eine rein auf Berstversuchen beruhende Herangehensweise aufgrund der hohen Kosten der Versuche nicht umsetzbar ist.
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde ein schädigungsmechanischer Ansatz für die Berstdruckvorhersage entwickelt und die Rahmenbedingungen für eine zuverlässige Anwendung erforscht. Das so abgeleitete Versagenskriterium wurde in der Simulation einer Vielzahl von Bemessungssituationen einge-setzt. Mit Hilfe dieses Ansatzes konnten statt aufwendiger Berstversuche, die normalerweise für die Anwendung probabilistischer Sicherheitskonzepte erforderlich sind, Simulationsergebnisse für die Ableitung neuer Sicherheitsfaktoren verwendet werden.
Zur Demonstration der Zuverlässigkeit des Verfahrens wurde ein Druckbehälter aus der hochfesten Stahlsorte P690Q von den Forschungsstellen und den Industriepartnern im projektbegleitenden Ausschuss entwor-fen, hergestellt und in einem Berstversuch zerstörend getestet. Der Behälter besitzt eine Wanddicke von 50 mm, eine Länge von 3 m und einen Außendurchmesser von 1,20 m. Der Auslegungsdruck nach EN 13445 beträgt 226 bar. Im Berstversuch versagte der Behälter bei 680 bar, dem Dreifachen des Auslegungsdruckes. Die Anwendbarkeit hochfester Stähle konnte eindrucksvoll demonstriert werden, das Versagen erfolgte nach deutlicher plastischer Verformung. Die Einsatzfähigkeit der entwickelten Methodik wurde somit validiert.
Die abschließende Anwendung des probabilistischen Sicherheitskonzeptes zeigte das Potenzial für eine deutliche Reduktion der Sicherheitsfaktoren für hochfeste Stähle auf. Die erarbeiteten Erkenntnisse wurden im Anschluss in den Normgebungsprozess eingebracht.
Das Forschungsvorhaben wurde am Institut für Eisenhüttenkunde und am Institut für Stahlbau der RWTH Aachen University mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt.
Veröffentlichung:
Juli 2019
Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen University
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
Prof. Dr.-Ing. Sebastian Münstermann
Dr.-Ing. Victoria Brinnel
Institut für Stahlbau, RWTH Aachen University
Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann
Dr.-Ing. Simon Schaffrath
Dipl.-Ing. Dirk Schäfer
Verantwortlich für die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.
Dr. Gregor Nüsse M.Sc.
