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Authors: Rettenmeier, Philipp
Title: Bewertung von geschweißten Kranbahnen unter mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung durch Radlasten
Other Titles: Assessment of welded crane runway girders subjected to multiaxial fatigue caused by wheel loads
Issue Date: 2015
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-104603
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6487
http://dx.doi.org/10.18419/opus-6470
Abstract: Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung einer Bewertungsmethodik für Kranbahnen aus Stählen, die von Laufrädern der Krane zyklisch überrollt werden. Im Rahmen der Methodik erfolgt die Unterteilung der Gesamtlebensdauer in Anriss- und Risswachstumslebensdauer. Die Anrisslebensdauer wird mithilfe von lokalen Konzepten in Kombination mit der Methode der kritischen Schnittebene bewertet. Anschließend wird die Risswachstumslebensdauer durch numerische Verfahren der Bruchmechanik untersucht. Die Anwendung der Methodik erfolgt an Kranbahnen mit praxisrelevanten Abmessungen, die durch die zyklische Überrollung von Kranlaufrädern einer mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung unterliegen. Zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Kranbahnen, die aus Walzträgern mit aufgeschweißten Schienen vorlagen, wurden Überrollversuche mit bewegter Radlast unter konstanter Belastung durchgeführt. Als Versagenskriterien wurden sowohl der „erste Durchriss“ der Schweißnähte als auch das vollständige „Ablösen der Schiene“ im Überrollbereich definiert. Die Schwingspielzahlen der Versagenskriterien wurden über Druckluftmessungen und zerstörungsfreie Prüfmethoden festgestellt. Aus den Bauteilen der Prüfträger wurden Laborproben für die statische und zyklische Werkstoffcharakterisierung entnommen. Das zyklische Werkstoffverhalten wurde mittels dehnungskontrollierter Ermüdungsversuche mit Proben aus dem Schweißgut und der Schiene ermittelt. Zudem wurden Risswachstumsraten anhand von Versuchen mit C(T)-Proben aus dem Schweißgut ermittelt. In fraktografischen Untersuchungen wurde gezeigt, dass die in den Schweißnähten detektierten Risse auf die Ermüdungsbeanspruchung zurückzuführen waren. In numerischen Untersuchungen wurde das Eigenspannungsfeld der untersuchten Prüfträger im Bereich der Schweißnähte berechnet und mit Ergebnissen von Messungen unter Verwendung der Bohrlochmethode überprüft. Die Ermittlung der linear-elastischen Bauteilbeanspruchung wurde mit dem Kerbspannungskonzept und dem Kerbradius von 1 mm durchgeführt. Um die elastisch-plastische Kerbgrundbeanspruchung zu berechnen, wurde der Kerbradius zu 0,05 mm modelliert, der an gemessene, lokale Nahtgeometrien angepasst wurde. Hierzu wurde im FE-Programm Abaqus ein Werkstoffmodell mit kinematischer Verfestigung an Ergebnisse der Ermüdungsversuche mit Laborproben angepasst. Zur Bewertung der Bauteilbeanspruchung wurden Schädigungsparameter mit Berücksichtigung von Beanspruchungsgradienten aus lokalen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen ermittelt. Die Berechnung der Anrissphase der Prüfträger bis zur Anrisstiefe von 1 mm erfolgte durch Vergleich mit einachsigen Schädigungsparameter-Mittelwertskurven, die aus den dehnungskontrollierten Ermüdungsversuchen abgeleitet wurden. Die Risswachstumsphase von der Anrisstiefe bis zum ersten Nahtdurchriss wurde durch Anwendung von bruchmechanischen Methoden bewertet. Mit der dargestellten Methodik wurde die Ermüdungsbewertung der untersuchten Prüfträger für das Versagenskriterium „erster Durchriss“ durchgeführt. Die zuvor berechneten Schwingspielzahlen der Anriss- und Risswachstumsphase wurden addiert und durch Gegenüberstellung mit Versuchsergebnissen überprüft. Es wurde festgestellt, dass die berechneten Ergebnisse im Streubereich der Schwingspielzahlen der Überrollversuche lagen.
A procedure to assess the fatigue behavior of cyclically stressed crane runway girders traveled over by wheel loads was introduced. The overall lifetime is subdivided into cycles to crack initiation and cycles of crack growth within this procedure. Cycles to crack initiation are evaluated by use of local concepts in combination with critical plane approach. Cycles of crack growth are investigated by means of numerical fracture mechanics approaches. The procedure is applied to full-scale crane runway girders subjected to cyclically traveling wheel loads causing multiaxial fatigue loading. Fatigue tests with cyclically traveling and constant wheel loads were performed to determine the fatigue behavior of crane runway girders fabricated by rails welded on hot-rolled girders. Both the failure criteria „first through-thickness crack“ and „separation of rail“ are defined and detected by use of a pressure system and non-destructive examination methods. Specimens were extracted from the crane runway girders for static and cyclic material characterization. The cyclic behavior both of the rail and weld material was investigated by use of fully reversed strain-controlled fatigue tests. Crack growth rates were evaluated by tests with C(T) specimens. Fractographic investigations have shown that the cracks detected in the rail welds of the investigated crane runway girders were caused by the fatigue loading. The welding residual stress field in the weld zone was numerically calculated and compared to results of hole-drilling measurements. Notch stress concept with notch radii of 1 mm was applied to investigate the elastic stresses acting in the weld notches. The local elastic-plastic stress is determined by use of a material model with kinematic hardening implemented in the FE code Abaqus. This model is adapted to results of strain-controlled fatigue tests of specimens. Afterwards, local stabilized stress-strain hysteresis loops were calculated. Therefore, local notch radii were calibrated to 0.05 mm based on measured local weld geometries. Fatigue parameters considering strain gradients were calculated to assess the fatigue loading of the crane runway girders. Crack initiation lifetime was calculated by implementing the fatigue parameters in mean data curves. These curves were calibrated by use of strain-controlled fatigue tests of specimens. Number of cycles of crack growth stage was calculated by use of fracture mechanics methods. Fatigue assessment by use of the introduced procedure was conducted for failure criterion “first through-thickness crack“ of the investigated crane runway girders. Calculated numbers of cycles to crack initiation and crack growth were summed and compared to experimental results of tests with crane runway girders and traveling wheel loads. Thus, the calculated numbers of cycles were found to be in the scatter band of experimental results.
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