Ermittlung der Tragfähigkeit neuartiger stählerner Schalenbauwerke unter realitätsnaher Berücksichtigung des Schweißverzugs (HyBeul)

Projektbeschreibung

Kurzfassung

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 Modell 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.

Abstract

Stiffened shell structures (also Monocoque) are now being increasingly used in steel structures. The structure typically consists of a thin outer skin and, if applicable, inner skin, which is stiffened by longitudinal and transverse stiffeners. With the methods of shipbuilding, sheet metal can be variably bent in different directions allowing to built up extremely efficient and material-minimized shells. Recently, the calculation is more and more carried out using the Finite Element Method (FEM). Due to the use of slender metal sheets, the buckling influence needs to be taken into account. A geometrically and materially nonlinear analysis of the imperfect shell (GMNIA) corresponds to the theoretically highest degree of realism. The quality of proofs depends decisively on whether the imperfections introduced into the computational model adequately describe the effect of the imperfections of real structures. Here are still major gaps in knowledge. Today, it is basically possible to reliably predict welding process influences by means of welding simulation. The extensive modelling and high computational effort, however, prevent its practical application. The analytical-numerical hybrid model developed at the LFT provides a practical methodology for the welding simulation of large structural components.

From the point of view of the design an interface to the welding simulation is to be realized. In order to take into account the curvature of the sheet plane in one and two directions and also weld residual stresses, the analytical-numerical hybrid model requires a systematic extension. Subsequently, the results are implemented into different models for the nonlinear structural analysis using appropriate coupling algorithms. Finally, the validation of the load-bearing capacity calculations is based on experimentally obtained values ​​of load-bearing capacity. The aim of the project is thus to provide a robust and reliable calculation method for the computer-aided design by GMNIA applicable to welded shell structures. In comparison to available simplified methods, this is realized directly and for the first time through hybrid approaches for the detection of welding process influences.

Förderprogramm:

AiF-  Projekt / P 1126/04/2017 / IGF-Nr. 19173 BR

Forschungsvereinigung:

Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v. - FOSTA

Laufzeit:

01.01.2017 - 31.12.2018

Ansprechpartner:

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

M.Sc. Benjamin Launert

Dr.-Ing. Christoph Stapelfeld

Projektpartner:

Lehrstuhl Füge- und Schweißtechnik (LSF), Cottbus

Veröffentlichungen

Schlaich, M.; Bleicher, A.; Pasternak, H.: Der Porsche Pavillon in Monocoque-Bauweise. Bauingenieur 89 (2014) 1-10 (pdf)

Stapelfeld, C.; Launert, B. Pasternak, H.; Doynov, N.; Michailov, V.: Numerische Festigkeitsberechnung einer versteiften Struktur unter Berücksichtigung realitätsnaher geometrischer und struktureller Imperfektionen. 21. DASt-Forschungskolloquium. 6.-7. März 2018, Kaiserslautern. S. 245-249 (ISBN: 978-3-941687-27-1)

Stapelfeld, C., Launert, B., Pasternak, H., Doynov, N., Michailov, V.: The Influence of Geometrical and Welding Imperfections on the Strength of Stiffened Structures. First Workshop Proceedings of High Performance Steel Structures Research Council (HPSSRC). May 15-16, 2018, Delft. pp. 191-201 (Website, pdf)

Stapelfeld, C., Launert, B., Pasternak, H., Doynov, N., Michailov, V.: Strength Calculation of Stiffened Structures Taking Into Consideration Realistic Weld Imperfections. Materials Research Proceedings 6 (2018). ECRS-10, September 11-14, 2018, Leuven. pp. 245-250 (DOI: http://dx.doi.org/10.21741/9781945291890-39)

Doynov, N.; Stapelfeld, C.; Michailov, V.; Pasternak, H.; Launert, B.: Distortion Analysis of Large Scaled Welded Structures. Mathematical Modelling of Weld Phenomena 12 (2019), in print. 12th International Seminar "Numerical Analysis of Weldability", September 23-26, 2018, Graz

Stapelfeld, C., Launert, B.; Pasternak, H.; Doynov, N.; Michailov, V.: Traglastberechnung versteifter Platten und Schalen unter Berücksichtigung realer Schweißimperfektionen. Bauingenieur 93 (2018) 403-411 (Link)

Stapelfeld, C.; Doynov, N.; Michailov, V., Pasternak, H.; Launert B.: Schweißverzugsberechnung an großen komplexen Strukturen. 36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10.-12. Oktober 2018, Leipzig (Link)