Ermüdungsverhalten von Stahlkonstruktionen unter multiaxialer Beanspruchung durch Radlasten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Geschweißte Konstruktionsdetails mit Radbelastung, wie sie im Kranbau, Hochbau, Brückenbau auftreten, erfahren im Radlasteinleitungsbereich eine mehrachsige Ermüdungsbeanspruchung, die aufgrund der Phasenverschiebung der einzelnen Spannungskomponenten als nichtproportional bezeichnet wird. Hierfür ist charakteristisch, dass sich die Hauptspannungsrichtungen während der Beanspruchung permanent ändern. Gegenstand des Forschungsvorhabens waren zwei Konstruktionsdetails der Radlasteinleitung, die aufgeschweißte Kranschiene und eine Obergurtkonstruktion aus Hohlprofilen, zu denen es bisher keine experimentellen Untersuchungen gab. Es ist bekannt, dass die klassischen Festigkeitshypothesen wie z. B. die Normal- oder Schubspannungshypothese für statische Beanspruchung auch zur Bewertung von mehrachsiger proportionaler Ermüdungsbeanspruchung herangezogen werden können. Bei nichtproportionaler Ermüdungsbeanspruchung versagen diese klassischen Festigkeitshypothesen. Im Forschungsvorhaben wurden zur Klärung der Fragestellungen folgende wesentlichen Untersuchungen durchgeführt: 1. Es wurden insgesamt 14 Trägerversuche mit überrollender Radlast und 23 Trägerversuche mit ortsfest schwellender Radlast zur Untersuchung des mehrachsigen Spannungszustands infolge der Radlasteinleitung und zur Ermittlung von Ermüdungsfestigkeiten durchgeführt. 2. Über eine Schweißsimulation wurden die Schweißeigenspannungen in den Prüfträgern bestimmt. Hierzu wurden Berechnungsmodelle eingesetzt, die durch Temperaturmessungen und Eigenspannungsmessungen verifiziert wurden. 3. Die numerischen Untersuchungen auf Basis von Nennspannungen ergeben bei Verwendung einer modifizierten Hypothese von Findley als Schwingfestigkeitshypothese für die in den Versuchen getesteten Schienenschweißnähte eine charakteristische Ermüdungsfestigkeit von ΔσC = 50 N/mm² (Versagenskriterium: 1. Nahtdurchriss). 4. Die numerischen Untersuchungen auf Basis von Strukturspannungen bestätigen die in den Versuchen als ermüdungskritisch identifizierten Stellen der neuartigen Kranbahnkonstruktion aus Hohlprofilen. 5. Die numerischen Untersuchungen auf Basis von Kerbspannungen erlauben eine Ermüdungsbewertung in Übereinstimmung mit den Versuchen, die eine konservative Auslegung der Schienenschweißnaht mit dem Konzept von Neuber und Radaj in Verbindung mit unterschiedlichen Schwingfestigkeitshypothesen belegen. Alle Forschungsziele wurden durch eine Kombination von Ermüdungsversuchen an Prüfträgern in Bauteilabmessungen und von begleitenden numerischen Untersuchungen erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Experimental investigations on the fatigue strength of welded joints on full-scale crane runway girders, 10th International Conference on Multiaxial Fatigue & Fracture (2013), Kyoto
P. Rettenmeier, M. Euler, E. Roos, U. Kuhlmann
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Experimentelle Untersuchung der Radlasteinleitung von Kranbahnen. 2. Darmstädter Ingenieurkongress (2013)
U. Kuhlmann, E. Roos, M. Euler, P. Rettenmeier
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Fatigue assessment of multiaxially stressed crane runway girders including welding residual stress effects. International Conference on Fatigue Damage of Structural Materials X (2014), Hyannis
P. Rettenmeier
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Numerische Berechnung der Schweißeigenspannungen von Stahlbauteilen unter Berücksichtigung von Gefügeumwandlungen, DVS-Tagung "Jugend forscht und schweißt" (2014), München
P. Rettenmeier
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Experimental and numerical investigations on the crack growth stage of crane runway girders subjected to cyclic loading. 12th International Conference on the Mechanical Behavior of Materials (2015), Karlsruhe
P. Rettenmeier, E. Roos, S. Weihe, X. Schuler
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Fatigue analysis of multiaxially loaded crane runway structures including welding residual stress effects, International Journal of Fatigue (2015)
P. Rettenmeier, E. Roos, S. Weihe
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Fatigue assessment of full-scale welded crane runway girders. Materials Testing 57 (2015), Nr. 2, S. 110–118
P. Rettenmeier, E. Roos
