Ermüdungsverhalten von Stahlkonstruktionen unter multiaxialer Beanspruchung durch Radlasten : ausführlicher Bericht zum Forschungsvorhaben

Abstract

Im Hochbau, im Kranbau und in der Fördertechnik treten durch die Bewegung von Gütern und Maschinen wandernde Einzellasten auf, die in der Regel als Radlasten auf die meist aus Stahl hergestellten Tragkonstruktionen einwirken. Die Anschlüsse und Verbindungen dieser Konstruktionen erfahren im Bereich der Radlasteinleitung einen Spannungszustand aus lokalen Druck- und Schubspannungen, die sich mit globalen Spannungen aus Trägerbiegung und Querkraftschub überlagern. Da sich dieser mehrachsige Spannungszustand bei jeder Überrollung einstellt, können Ermüdungsschäden an den Anschlüssen und Verbindungen die Folge sein. Im Gegensatz zu den alten nationalen Bemessungsregeln für Krane und Kranbahnen, die vergleichbare Berechnungs- und Festigkeitsansätze für den Ermüdungsnachweis auf Basis von Nennspannungen enthielten, unterscheiden sich die neuen europäischen Bemessungsregeln für Krane und Kranbahnen. In der Folge werden eine Reihe von Konstruktionsdetails mit Radlasteinleitung bei Kranen im Vergleich zu Kranbahnen bei baugleicher Ausführung günstiger hinsichtlich ihrer Ermüdungsfestigkeit eingestuft. Die Kerbfalleinstufung dieser Konstruktionsdetails wird dabei in allen Bemessungsnormen bislang theoretisch hergeleitet, da entsprechende Ermüdungsversuche fehlen. Der Unterschied zwischen den alten nationalen und neuen europäischen Bemessungsregeln beruht teilweise auf einer abweichenden Berücksichtigung des Einflusses der Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Verbindungen. Die europäischen Bemessungsregeln unterstellen hohe Eigenspannungen und vernachlässigen daher einen Mittelspannungseinfluss. Der Kerbfallkatalog der Bemessungsnormen ist begrenzt und enthält beispielsweise keine Einstufung für das häufig ausgeführte Konstruktionsdetail der aufgeschweißten Kranschiene mit Radlasteinleitung. Der begrenzte Kerbfallkatalog stellt für die Ermüdungsbewertung von neuartigen Konstruktionen ein Hindernis dar. Es wird ein Überblick über die bekannten Ermüdungsversuche zu den Konstruktionsdetails mit Radlasteinleitung gegeben. Die bekannten Bewertungskonzepte für Schweißverbindungen bei mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung werden vorgestellt. Der Erkenntnisstand zur Entstehung von Eigenspannungen und deren Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen wird beschrieben. Es wird ein Versuchsprogramm aus Ermüdungsversuchen an Kranbahnträgern mit aufgeschweißter Kranschiene und an einer neuartigen Kranbahnkonstruktion mit Obergurten aus Hohlprofilen unter ortsfest schwellender und überrollender Radlast entwickelt. Die Untersuchung beider Arten von Radlasten berücksichtigt, dass überrollende Radlasten zu einer nichtproportional und ortfest schwellende Radlasten zu einer proportional mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung führen. Die Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit der untersuchten Kranbahnträger erfolgt auf Basis von Nenn-, Struktur- und Kerbspannungen. Bei der Bewertung der mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung werden sowohl die klassischen Schwingfestigkeitshypothesen als auch neuere Bewertungsansätze wie die Hypothesen der kritischen Schnittebene und der integralen Anstrengung angewendet. Durch eine Schweißsimulation, die durch fertigungsbegleitende Temperaturmessungen kalibriert wird, werden für die Kranbahnträger mit aufgeschweißter Kranschiene Anhaltswerte für die Höhe der Schweißeigenspannungen als Eingangsgröße für die Ermüdungsbewertung hergeleitet.