BTU auf einen Blick BTU auf einen Blick schließen
Startseite
Schließen
Fakultät 6
Fachgebiet Stahl- und Holzbau Prof. Dr.-Ing. Mathias Euler

AiF - Fosta Schweißen dicker Bleche unter Baustellenbedingungen - Beurteilung des Einflusses auf das Tragverhalten von Montagestößen

Projektbeschreibung

Kurzbeschreibung
Beim Aufbau großer Stahlbauwerke wird heute vermehrt auf Werksfertigung gesetzt. Die Fertigung gliedert sich hierbei in zwei Abschnitte: die Herstellung der Einzelteile unter Werksbedingungen und die Montage zur Gesamtstruktur auf der Baustelle. Im Gegensatz zur Werksfertigung, erfolgt die Endmontage vielfach unter erschwertem Witterungseinfluss.  Wind und Niederschlag können durch Einhausung der Schweißstelle ferngehalten werden. Häufig muss jedoch auch bei tiefen Temperaturen im Taubereich oder unterhalb des Gefrierpunkts geschweißt werden.

Niedrige Umgebungstemperaturen können in diesem Zusammenhang die Abkühlzeiten und hierdurch die Eigenschaften einer Schweißnaht negativ beeinflussen. Gerade mehrlagige Baustellenschweißungen dicker Bleche stellen nicht nur hohe Anforderungen an den ausführenden Betrieb, die Bauleitung und Bauüberwachung, sondern bereits im Vorfeld an den Konstrukteur. Da die Fertigungsvorbereitung mit zu erstellenden Schweißplänen sowie Schweißfolgeplänen durch den ausführenden Betrieb erfolgt, bleiben der resultierende Eigenspannungszustand sowie Verzüge nach der Montage bei der Planung unberücksichtigt.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, Kriterien für die Durchführung von Schweißungen dicker Bleche unter Baustellenbedingungen herauszuarbeiten, mit deren Hilfe über die Art und den Umfang der Schweißmaßnahme entschieden werden kann.  Baustellenbedingungen beziehen sich hierbei insbesondere auf den Einfluss tiefer Temperaturen und  damit verbundene Abkühlbedingungen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden sowohl theoretische Untersuchungen in Form numerischer Berechnungen als auch eine umfassende experimentelle Verifikation unter realen Temperaturbedingungen (-10 °C, 0°C, 20 °C) durchgeführt.

Förderprogramm
AiF-  Projekt / P 858/08/2011 IGF-Nr. 16937 BG

Förderer
Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v. - FOSTA

Laufzeit
02.2011 - 07.2013, verlängert bis 01.2014

Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. habil. H. Pasternak
M.Sc. Y. Ciupack
Dipl.-Ing. T. Krausche
M.Sc. B. Launert

Projektpartner
Technische Universität Braunschweig / Institut für Füge- und Schweißtechnik

Veröffentlichungen im Projekt
  • N. Pagel, J. Klassen, H. Pasternak, B. Launert, T. Krausche: Schweißen dicker Bleche unter Baustellenbedingungen – Beurteilung des Einflusses auf das Tragverhalten von Montagestößen (engl.: Welding of Thick Plates under Side Conditions – Evaluation of the Influence on the Structural Behaviour of Assembly Joints), Forschung für die Praxis P 858, 2015, ISBN: 978-3-942541-69-5
  • Pasternak, H.; Krausche, T.; Launert, B.: Welded construction site joints in bridges. Steel Bridges: Innovation & New Challenges, 8th International Symposium on Steel Brdiges, Istanbul, 2015, pp. 315-320, ISBN: 978-605-65900-2-3
  • Pasternak, H.; Launert, B.; Krausche, T.: Welding of girders with thick plates - Fabrication, measurement and simulation. Journal of Constructional Steel Research 115 (2015) 407-416
  • Pasternak, H.; Krausche, T.; Launert, B.:„Schweißen von Trägern mit dicken Blechen, Teil 2: Schweißen unter Baustellenbedingungen – Montagestoß und Variation der Umgebungstemperatur“. Bauingenieur 89 (2014), Heft 12, S.537-547
  • Pasternak, H.; Krausche, T.; Launert, B.: „Schweißen von Trägern mit dicken Blechen, Teil 1: Trägerfertigung unter Werksbedingungen – Planung, Herstellung und Simulation“. Bauingenieur 89 (2014), Heft 10, S. 395-404
  • Pasternak, H.; Krausche, T.; Launert, B.: Welding of thick steel plates under site conditions. 7th European Conference on Steel and Composite Structures, Eurosteel 2014, Napoli, September 10-12, International Conference Proceedings, pp. 109-110, ECCS European Convention for Constructional Steelwork, ISBN: 978-92-9147-121-8
  • Krausche, T.; Launert, B.: „Schweißen dicker Bleche unter Baustellenbedingungen“ in Schriftenreihe Stahlbau, Heft 8, BTU Stahlbau-Symposium 2014, S.17-24, Cottbus, Mai 2014
  • Pasternak, H.; Krausche, Th.; Launert, B.: Welding of Thick Plates under Site Conditions - Evaluation of the Influence on the Structure Behaviour of Welded Assembly Joints, pp.455-460. In Design, Fabrication and Economy of Metal Structures, Miskolc, Hungary, April 24-26, 2013, International Conference Proceedings, Springer, Heidelberg 2013, ISBN: 978-3-642-36690-1
  • Bachmann, V.; Krausche, T.; Launert, B.; Klassen, J.: Schweißen dicker Bleche unter Baustellenbedingungen. 18. DASt-Kolloquium, S. 113 - 118, Deutscher Ausschuss für Stahlbau DASt, Aachen 2012, ISBN: 978-3-929371-26-0
Im Forschungsprojekt erarbeitete Ergebnisse:

Die Untersuchung  erfolgt an einem typischen Montagestoß des Stahlbaus (Z-Stoß) für zwei branchenübliche Werkstoffe (P355NL2, P460NL). In Anlehnung an den Fertigungsablauf gliedert sich die Auswertung in die Teilbereiche Herstellung der Einzelteile unter Werksbedingungen (Teildemonstrator) und das anschließende Fügen im Montagestoß (Demonstrator).  Für den Montagestoß wurden die Umgebungstemperaturen im Großklimaraum der FMPA zwischen –10 °C und +20°C (RT) variiert. Basierend auf den im Vorhaben gewonnen Erkenntnissen ließen sich die folgende Empfehlungen ableiten:

Abb.1: Geometrie des Teildemonstrators und des Z-Stoß
1) Einfluss der Umgebungstemperatur für Baustellenschweißungen

Für die untersuchten Fälle ist kein Einfluss variierender Umgebungstemperaturen bis -10 °C auf die resultierenden Schweißeigenspannungen festzustellen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich unter den gewählten Bedingungen nach dem Schweißen der ersten Lage eine konstante Zwischenlagentemperatur einstellt. Voraussetzung für die Übertragbarkeit der Ergebnisse ist eine normgerechte Herstellung.

Abb. 2: Längs- und Quereigenspannungsverlauf [MPa] am Montagestoß für 20°C und -10°C, dargestellt im Intervall: -40mm ≤ x ≤ 40 mm
2) Schweißsimulation

Mit Hilfe der Schweißsimulation können die Auswirkungen von Schweißnähten am Bauteil global dargestellt werden. Der Vergleich experimentell und numerisch ermittelter Werte des Verzugs und des Eigenspannungsfelds zeigt eine gute Übereinstimmung.  Eine anschließende Struktursimulation mit den aus der Schweißsimulation integrierten Ergebnissen bildet die Basis für weiterführende Untersuchungen. Diese Vorgehensweise birgt großes Potential, scheitert jedoch zurzeit am Modellierungs- und Berechnungsaufwand derartiger Probleme.  Dieser beträgt selbst für kleine Modelle nicht selten mehrere Tage. Gerade für im Stahlbau übliche Bauteilabmessungen bedarf es daher vereinfachter Ansätze.

Ein weiteres Problem ist die Kopplung von Schweißsimulation (Volumenmodell mit schweißgerechter Vernetzung) und Traglastberechnung (Schalenmodell).  Die direkte Ergebnisimplementierung erfordert konforme  Netze und identische Materialmodelle. Da für die Traglastberechnung ein elasto-plastisches Materialmodell angesetzt wird, können Eigenspannungswerte oberhalb der Fließgrenze, die bspw. aus der Verfestigung und der Gefügeumwandlung resultieren, nicht unmittelbar überführt werden. Die Schnittstelle zwischen Schweißsimulation und Traglastberechnung konnte bisher nicht nahtlos realisiert werden.

Abb. 3: Schweißsimulationsmodell am Teildemonstrator und Längseigenspannungszustand [MPa], dargestellt für 4 Schnitte über die Flanschbreite [mm]
Abb. 4: Längs- und Quereigenspannungsverteilung am Montagestoß, exemplarisch: Spannungsverteilung [MPa] im Flansch

Der Vergleich zwischen Simulation und Näherungsansatz zeigte teils große Defizite auf. Hierbei wird der reale 3D-Spannungszustand durch eine trapezartige und über die Blechdicke konstante Verteilung einzig in Abhängigkeit der Geometrie des Trägers angenähert. Die Zugeigenspannung wird in Höhe der Fließgrenze des Grundwerkstoffs vorausgesetzt. Die Druckeigenspannung folgt aus der Aufstellung des Gleichgewichts. Beide Ansätze sind als stark vereinfacht einzustufen und zu hinterfragen. Anwendungsgrenzen existieren bisher nicht.

Abb. 5: Vereinfachte Ingenieurmodelle für geschweißte Träger: a) CECM-ECCS-EKS, 1984, b) Swedish Design Code BSK, 1999
3) Traglastberechnung: Teildemonstrator

Insbesondere für die Werksfertigung geschweißter Träger, die durch den Einsatz mechanisierter Fertigungsmethoden gleichbleibende Qualität verspricht, erscheint es sinnvoll neue Ansätze bereitzustellen, die relevante Einflussgrößen praxistauglich erfassen. Hierzu zählen insbesondere Fertigungsparameter sowie materielle Abhängigkeiten. Aufgrund der Einschnürung der Plastizitätszone und der Zunahme der Bedeutung des Umwandlungsverhaltens, ist die Amplitude der Ausgleichsdruckeigenspannung für hochfeste Stähle deutlich reduziert. Bestehende Näherungsmodelle sollten gerade hier nicht mehr angewandt werden. Durch die Implementierung realitätsnaher Modelle ermöglicht die nichtlineare Traglastberechnung eine bessere Erfassung des Tragverhaltens und hierdurch wirtschaftlicheres Konstruieren.  Der Vergleich mit den Knicklinien nach Norm zeigte z.T. deutliche Reserven. Tatsächlich konnte die Einstufung vielfach höher erfolgen. Es bedarf daher weiterer Forschungsaktivität auf diesem Gebiet.

Abb. 6: Vergleich zwischen FEM und Knicklinie (EC3), für planmäßige Druckbeanspruchung

Der Eigenspannungsansatz wirkt sich insbesondere im baupraktisch relevanten, unteren und mittleren Schlankheitsbereich aus.

4) Einfluss des Montagestoßes (Demonstrator)

Es wurde ein Vorgehen für die Berücksichtigung des Montagestoßes aufgezeigt. Die Ergebnisse der Schweißsimulation wurden hierfür vereinfacht und in ein Näherungsmodell für die Traglastberechnung überführt. Die Reduzierung der Tragfähigkeit lag für alle untersuchten Fälle unterhalb 5 % und ist daher im Rahmen üblicher Bemessungsansätze mit großer vorhandener Sicherheit vernachlässigbar. Dennoch sollte die Anordnung der Stoßbereiche beachtet werden. Die Berechnung zeigt, dass eine Anordnung in niedrig beanspruchten Bereichen den Einfluss auf ein Minimum reduziert. Im Einzelfall ist eine Berücksichtigung jedoch abzuwägen.

Abb. 7: Approximierter Eigenspannungsverlauf [MPa]im Montagestoß („Störbereich“)

Danksagung
Das IGF-Vorhaben Nr. 16937 BG der FOSTA-Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert.

Das Vorhaben wurde zusammen mit dem Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs) der Technischen Universität Braunschweig bearbeitet. Eine detaillierte Beschreibung der Ergebnisse kann dem Abschlussbericht entnommen werden.

 
Literatur
Dilger, K.; Pasternak, H. et al: Schweißen dicker Bleche unter Baustellenbedingungen – Beurteilung des Einflusses auf das Tragverhalten von Montagestößen. Abschlussbericht, Forschungsvorhaben P858/08/2011 / IGF-Nr. 16937 BG, 2014