Ermittlung der Tragfähigkeit neuartiger stählerner Schalenbauwerke unter realitätsnaher Berücksichtigung des Schweißverzugs

Projektträger: AiF Projekt GmbH

Laufzeit: Januar 2017 bis Dezember 2016

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Doynov

Motivation

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 effizienter und materialminimierter Schalen möglich ist. Die Berechnung erfolgt heute überwiegend mithilfe der Finite Elemente Methode (FEM). Aufgrund der schlanken Konstruktionsweisen ist das Beulen ein zu beachtender Grenzzustand. Dabei besitzt eine geometrisch und materiell nichtlineare Analyse des imperfekten Schalentragwerks (GMNIA) den theoretisch höchst erreichbaren Realitätsgrad. Deren Nachweisqualität hängt entscheidend davon ab, ob die in das Rechenmodell eingeführten Imperfektionen die Wirkung der Imperfektionen realer Tragwerke äquivalent beschreiben. Hier bestehen nach wie vor große Kenntnislücken. Heute ist es prinzipiell möglich, die Schweißprozesseinflüsse mithilfe der Schweißsimulation zuverlässig vorauszusagen. Die aufwendige Modellierung und hohe Rechenzeiten verhindern bisher deren praktische Anwendung. Das am LFT entwickelte analytisch-numerische Hybridmodell bietet eine praxisrelevante Methodik zur Schweißsimulation großer Bauteile.

Aus Bemessungssicht ist eine Schnittstelle zur Schweißsimulation zu realisieren. Zur Berücksichtigung einer Krümmung der Blechebene in ein und zwei Richtungen und zur Eigenspannungsanalyse bedarf das hierfür analytisch-numerische Hybridmodell einer systematischen Erweiterung. Anschließend sind die Ergebnisse über entsprechende Algorithmen in verschiedene Modelle zur nichtlinearen strukturmechanischen Analyse einzubeziehen. Schließlich erfolgt eine Validierung der Tragfähigkeitsberechnungen an experimentell gesicherten Werten der Tragfähigkeit. Ziel des Vorhabens ist es, somit eine robuste sowie zuverlässige Berechnungsmethodik für einen numerisch gestützten GMNIA-Nachweis geschweißter Schalenbauwerke bereitzustellen. Im Gegensatz zu bisherigen Vorgehensweisen, erfolgt dies erstmals direkt anhand hybrider Ansätze zur Erfassung der Schweißprozesseinflüsse.

Projektziele

  •  Erweiterung des analytisch-numerischen Hybridmodells zur Schweißverzugsberechnung
  • Schnittstelle zur strukturmechanischen Berechnung dünnwandiger Schalenbauwerke basierend auf dem GMNIA-Nachweiskonzept
  • Gesicherte Berechnungsmethodik  (aufgrund physikalisch fundierter Zusammenhänge) mit Verifizierungsbeispielen für die Praxis
  • Einordnung gegenüber normativen Verfahren nach EN 1993

Ergebnis

  • Erhöhung des Verständnisses der Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Schweißfertigung und Tragfähigkeit
  • Tragfähigkeitsprognostizierung und -optimierung mittels eines allgemeinen numerisch gestützten GMNIA-Nachweises
  • Gesicherte Erkenntnisse hinsichtlich der Imperfektionsannahmen dieser und ähnlicher Bauwerke
  • Optimierung der schweißtechnischen Fertigung und Montage
  • Einfache und softwareunabhängige CAE-Analyse

Das Forschungsvorhaben mit IGF-Nr. 19173 BR der AiF-Forschungsvereinigung “FOSTA -Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.” Wird im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom BMWi aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.