Kurzbeschreibung (Download)

Im Stahlbau werden zuletzt immer häufiger hochfeste Feinkornbaustähle eingesetzt. Aufgrund zunehmend fortschrittlicher Walz- und Wärmebehandlungstechnik besitzen diese Stähle hohe Festigkeitskennwerte bei ausreichender Zähigkeit und guter Schweißeignung. Im Kranbau ist der Einsatz wasservergüteter Stähle S690QL und S960QL bereits Stand der Technik. Mit Einführung von EN 1993-1-12 sind Stähle mit Streckgrenzen bis 700 MPa genormt. Durch die Verwendung hochfester Feinkornbaustähle ergeben sich Möglichkeiten zur Herstellung filigraner und wirtschaftlicher Strukturen bei erheblich reduziertem Schweißaufwand. Zur Ausnutzung des Potentials erfolgt die Konstruktionsauslegung heute vermehrt mithilfe von FE-Software. Für die Stabilitätsanalyse werden nach Eurocode 3 (EC3) stark vereinfachte Ansätze vorgeschlagen. Prozessparameter und konstruktive Randbedingungen, bereits vorhandene Eigenspannungen aus vorangehenden Fertigungsschritten sowie werkstoffabhängige Einflussgrößen bleiben unberücksichtigt. Die Vernachlässigung dieser Zusammenhänge führt besonders für hochfeste Stähle zu großen Abweichungen. Im Sinne einer wirtschaftlicheren Bemessung sind praxisorientierte und wirklichkeitsnahe Ansätze zur Erfassung der Schweißimperfektionen bereitzustellen.

Forschungsziel ist die Entwicklung abgesicherter Modelle zur Eigenspannungsermittlung. Um die Praktikabilität zu gewährleisten, sind relevante Einflussgrößen zu charakterisieren und in vereinfachte Ansätze zu überführen. Hierbei wird zwischen empirischen, analytischen, mechanischen Modellen unterschieden. Die Entwicklung und Verifizierung unterschiedlicher Ansätze erfolgt anhand experimenteller und numerischer Studien an Versuchsträgern aus normalfestem Baustahl (S355J2+N) und einem hochfesten Feinkornbaustahl (S690QL). Einflüsse bilden die lokale Wärmewirkung, die innere und äußere Steifigkeit, der Spannungszustand der Ausgangsbleche sowie Auswirkungen infolge der Gefügeumwandlung. Die experimentelle Erfassung von Eigenspannungen erfolgt als Kombination aus Zerlegverfahren und Röntgendiffraktometrie durch die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Im Anschluss erfolgt die Erstellung verschiedener Schweißsimulationsmodelle, auf deren Basis die Bestimmung festzulegender Modellparameter erfolgt. Die Erkenntnisse werden in einem Anwenderleitfaden zusammengefasst. Die Modelle bilden den Ausgangspunkt für Parameterstudien zur Überprüfung und Anpassung vereinfachter Nachweisverfahren nach EC3.

Abstract (Download)

Nowadays high-strength low alloyed (HSLA) fine-grained steels are being increasingly used in steel construction. Due to the advanced rolling and heat treatment technology such steels combine high strength with a sufficient level of ductility and good weldability. In crane construction the use of quenched and tempered steel S690QL or S960QL can be considered as state of art for many years. With the introduction of EN 1993-1-12 steels with yield strengths up to 700 MPa are standardized. The use of high-strength steels leads to light and economic structures with a reduction in material and especially weld fabrication costs. In terms of optimization nowadays the design is often carried out using finite element software. For the implementation of welding imperfections such as distortions or residual stress Eurocode 3 (EC3) provides only simplified models neglecting the influence of welding parameters, initial conditions and the material. Especially for HSLA steels this leads to large deviations as has been shown in various studies. In terms of a more economic design practical as well as realistic models for the implementation of welding imperfections need to be provided.

The scope of research is the development of validated models for determining the extent and distribution of residual stress. To ensure their practicability, relevant parameters are to be characterized and converted into simplified approaches. A further distinction will be made between empirical, analytical and mechanical models. The development and verification of different approaches is based on a large experimental and numerical program to small and full-scale specimens from mild steel (S355J2+N) and HSLA steel (S690QL). Influencing factors are the local heat effect, the inner and outer flexibility, the initial stress state of the plates to be welded as well as effects due to phase transformation. The experimental determination of residual stress is realized using a combination of sectioning method and X-ray diffraction by the BAM Federal Institute for Materials Research and Testing. In the following different welding simulation models will be created, based on which the determination of the model parameters to be developed is carried out. The findings are summarized in a user guideline. The proposed models form the basis for further parameter studies and thereby a review and extension of simplified methods suggested in EC3.

Förderprogramm: AiF-  Projekt / P 1035/04/2014 / IGF-Nr. 18104 BG

Forschungsvereinigung: Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v. - FOSTA

Laufzeit: 04.2014 - 12.2016

Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. habil. H. Pasternak

M.Sc. Benjamin Launert

Dr.-Ing. Yvonne Ciupack

Projektpartner: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin