FOSTA-Berichte

Neben dem Sicherheitsnachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit, der mit der Grundannahme duktilen Werkstoffverhaltens geführt wird, erfordert der Tragfähigkeitsnachweis für Stahlbauten in Eurocode 3 zusätzlich die Stahlsortenwahl nach DIN EN 1993-1-10 bzw. DASt-RiLi 009, um Sprödbruch zu vermeiden. Die Stahlsortenwahl wird zusammen mit den Anforderungen aus dem Zugversuch auch als Gewährleistung für duktiles Werkstoffverhalten angesehen.

Als weiterer Zähigkeitsnachweis in der Hochlage existiert in Deutschland noch der Aufschweißbiegeversuch (AUBI) nach SEP 1390 zur Beurteilung des qualitativen Rissauffangvermögens des Stahlgrundwerkstoffs, welcher derzeit in der Regel für geschweißte Stahlkonstruktionen für Stahlsorten bis S355J2 bei Blechdicken größer 30 mm gefordert wird. Im Zuge der Harmonisierung Europäischer Normen wurde der AUBI jedoch nicht von den übrigen EU-Mitgliedsländern akzeptiert. Anstelle dessen wurde ein tieflagenorientiertes Ersatzkriterium eingeführt, indem die aus der moderneren Herstellungstechnologie resultierenden besseren Eigenschaften von Feinkornbaustählen zu Nutze gemacht werden.

In der Vergangenheit wurden Untersuchungen angestellt, den AUBI mit Kerbschlagergebnissen zu korrelieren; ein Unterfangen, das wegen seines stark empirischen Charakters nicht zur Zufriedenheit führte und im Ergebnis Fragen offen ließ. Die unbefriedigende Situation ist, dass der AUBI nur als spezieller Ersatzversuch für die Einhaltung einer besonderen Lieferbedingung herangezogen wird, jedoch aus werkstoffmechanischer Sicht als Hochlagenkriterium im Hinblick auf die Sicherheitsanforderungen an Tragwerke schwer begründbar und nur eingeschränkt verwendbar ist. Für den vermehrt geforderten Einsatz höherfester Stähle und abweichender Geometrieformen wurde er ohnehin nicht konzipiert.

In den europäischen Produktnormen wird die Zähigkeit unter dem Kerbschlagbiegeversuch abgefragt. Es besteht daher der Wunsch, auch die restlichen Bereiche, für die in Deutschland nach wie vor der AUBI gefordert ist, mit Formulierungen von Mindestwerten aus dem Kerbschlagbiegeversuch, insbesondere für die Hochlage, abzudecken. Dies bezieht sich sowohl für Bereiche bis S355J2 als auch für höherfeste Stähle und andere Erzeugnisformen auf Basis der Nennwerte der Werkstoffe.

Hier setzt das vorliegende Forschungsvorhaben an. Es werden innovative wissenschaftliche Methoden auf Grundlage von hybriden schädigungsmechanischen Modellen herangezogen, die die numerisch gestützte Simulation des AUBIs sowohl unter Berücksichtigung der Versagensform Spaltbruch (Tieflage) als auch Zähbruch (Hochlage) erlauben. Im Ergebnis konnte dadurch die Korrelation der Zähigkeitshochlage des Kerbschlagbiegeversuchs mit dem AUBI durchgängig für alle Stahlsorten und Dicken gezeigt und zahlenmäßig bestimmt werden. Damit ist ein generelles Kriterium geschaffen worden, das die werkstofflichen und Erzeugnisform bezogenen Restriktionen des AUBI überwindet.

Hochfeste Schraubengarnituren des Systems HV werden vermehrt auch in großen Abmessungen bis zu M72 in hoch beanspruchten Stahltragwerken als vorgespannte Garnituren eingesetzt. Neben statischen und zyklischen Beanspruchungen sind die Verbindungen auch tiefen Temperaturen ausgesetzt. Bekannt ist, dass mit zunehmender Dicke von Stahlbauteilen bei Tieftemperatureinsatz die Gefahr von Sprödbruch steigt – dies gilt im Prinzip auch für größere Schraubendurchmesser.

In diesem Forschungsprojekt wurden systematische Untersuchungen zur Sprödbruchneigung hochfester Schrauben großer Abmessungen im Durchmesserbereich von M24 bis M64 unter tiefen Temperaturen durchgeführt. Zunächst wurden die mechanischen Eigenschaften charakterisiert und das Bruchzähigkeitsverhalten in Form von Kerbschlagbiegeversuchen und Bruchmechmechanikversuchen beschrieben. Die Übergangstemperaturen aus Kerbschlagbiegeversuch und Bruchmechanikversuch ließen sich durch bereits vorhandene Korrelationsansätze miteinander korrelieren. Durch die Auswertung von Finite Elemente Berechnungen konnte der Spannungszustand im ersten tragenden Gewindegang als maßgebend in Bezug auf Sprödbruch identifiziert werden. In Bauteilversuchen bei tiefen Temperaturen, bei denen die Schrauben ausgehend von einer mechanisch eingebrachten Kerbe unter einer Ermüdungsbeanspruchung vorgeschädigt wurden, konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass die derzeit verwendeten Schraubenstähle beim Einsatz bis -50 °C nicht sprödbruchgefährdet sind.

Auf Grundlage der Versuchsergebnisse wurden bruch- und schädigungsmechanische Berechnungsmodelle erstellt, um aus den Ergebnissen Mindestanforderungen an die Materialeigenschaften zur Vermeidung von Sprödbruch zu definieren. Das schädigungsmechanische Modell zeigte hier sehr konservative Ergebnisse, so dass eine Ableitung von Mindestanforderungen derzeit ohne eine Weiterentwicklung nicht möglich ist. Das bruchmechanische Modell konnte die Versuchsergebnisse reproduzieren, lieferte jedoch auch konservative Ergebnisse bei der Ableitung von Mindestanforderungen. Das bruchmechanische Modell muss auf Grundlage einer breiteren Datenbasis weiter verifiziert werden.

Im vorliegenden Forschungsvorhaben konnte jedoch eine prinzipielle Bewertung der Sprödbruchneigung von hochfesten Schrauben großer Abmessungen bei tiefen Temperaturen vorgenommen werden. Es zeigt sich, dass die derzeitig verwendeten Schraubenstähle beim Einsatz bei tiefen Temperaturen nicht sprödbruchgefährdet sind.

Ziel des Forschungsprojektes war die Erarbeitung eines Anwendungskonzeptes für ein verlässliches klebtechnisches Fügen verzinkter Halbzeuge mit Anwendungsschwerpunkten im Nutzfahrzeugbau und im Bauwesen. Im Fokus standen insbesondere die Ermittlung der Haftfestigkeit der Zinkschicht im Sinne einer mechanischen Tragfähigkeit sowie die Definition geeigneter Oberflächenvorbehandlungsverfahren. Anhand von Vorversuchen konnte der Einfluss von Stahllegierung und Verzinkungsmethode auf die Klebbarkeit stückverzinkter Oberflächen untersucht werden. Es wurde eine Auswahl von drei höherfesten und hochmoduligen Klebstoffen für die speziellen Anforderungen des Bauwesens und der Nutzfahrzeugindustrie getroffen. Unter Berücksichtigung von Stahllegierung und Verzinkungsmethode wurden klebtechnische Oberflächenvorbehandlungen hinsichtlich ihres Schichtabtrags auf stückverzinkten Oberflä-
chen untersucht und klassifiziert.

Anhand einer vereinfachten Nutzwertanalyse erfolgte eine Auswahl von überwiegend nasschemischen Oberflächenvorbehandlungen und mittels lichtmikroskopischer Untersuchungen an metallographischen Schliffen konnte damit ein selektiver Schichtabtrag im Bereich der Reinzinkphase der Zinkschicht eingestellt werden. Neben dem üblichen „Sweepen“ wurden zwei Beizmedien zur Anwendung auf stückverzinkten Oberflächen im Tauch- und Sprühverfahren ausgewählt. Des Weiteren wurde der Zustand der Zinkschicht ohne Schichtabtrag vor dem Kleben anhand ungealterter und vorbewitterter Zinkschichten untersucht. Drei Probengeometrien aus dem Bereich der Kleb- und Oberflächentechnik wurden stückverzinkt und zeitraffenden Alterungsexpositionen sowie einer Freibewitterung unterzogen. Dabei zeigte sich ein deutlicher Einfluss der Oberflächenvorbehandlung auf die Alterungsbeständigkeit der Verbunde in Kombination mit den verwendeten Klebstoffen. Die untersuchten nasschemischen Oberflächenvorbehandlungen wurden in einer Beizanleitung aufgeführt, um die prozesssichere Anwendung auf verzinkte Kleinbauteile zu gewährleisten und als Beitrag zur Anwendungsrichtlinie zu dienen.

Die Ergebnisse der standardisierten Prüfkörper konnten auf Kleinteilproben übertragen werden und die Beizanleitung wurde bei der Herstellung der Kleinteilproben auf ihre Anwendbarkeit bestätigt. Mithilfe der Bauteilversuche konnten die Lastübertragung im Stahl-Zinkschicht-Klebstoff-Verbund an praxisnahen Bauteilgeometrien untersucht werden, die Anwendbarkeit der Oberflächenvorbehandlungen auf handelsübliche Größen sichergestellt und die numerischen Modelle kalibriert und optimiert werden. Abschließend wurden Konstruktions- und Bemessungsregeln für die Baupraxis abgeleitet. Durch die gewonnenen Erkenntnisse wird ein nachträgliches langzeitbeständiges Fügen stückverzinkter Halbzeuge mittels Klebtechnik ermöglicht.

Brücken sind ein integraler und wichtiger Bestandteil des europäischen Verkehrssystems und gewährleisten die Mobilität im gesamten europäischen Binnenmarkt und darüber hinaus. Externe Bewehrungselemente können vorteilhaft eingesetzt werden, um
leistungsfähige Verbundkonstruktionen für Straßen- und Eisenbahnbrücken bereitzustellen und dabei die Beeinträchtigungen des Verkehrs durch eine modulare Bauweise so kurz wie möglich zu halten. Sie werden durch einen speziellen Brennschnitt aus Walzprofilen hergestellt und sind durch Verbunddübel mit dem Konstruktionsbeton schubfest verbunden. Der Anwendungsbereich der bisher entwickelten Bemessungskonzepte beschränkt sich aber auf Einfeldträger und muss notwendigerweise durch neue Untersuchungen für den erweiterten Einsatzbereich validiert werden.

Das Hauptanliegen des Forschungsprojektes ist es, entsprechende Bemessungskonzepte für die Beanspruchung in Querrichtung und für mehraxiale Belastungen und Verankerungen im Rahmeneckbereich zu entwickeln. Es werden konstruktive Lösungen für die Fügung und Verankerung der Bauelemente erarbeitet und dem Anwender in Form von Regeldetails bereitgestellt. Durch praktische Versuche werden die erarbeiteten Konzepte validiert. Dafür werden Modelle eines Durchlaufträgers, einer Rahmenecke und einer zweiaxial zugbeanspruchten Platte in statischen und zyklischen Versuchen mehrfach erprobt.

Neben der konstruktiven Umsetzbarkeit, werden der wirtschaftliche Nutzen, die Herstellkosten und die Nachhaltigkeit der Bauweise hinterfragt. Ständig wachsende Anforderungen an kurze Bauzeiten und unterhaltungsarme Konstruktionen machen die Verbundfertigteilbauweise in Rahmenbauwerken für Bauherrn sehr interessant. Im Vergleich zur herkömmlichen VFT-Bauweise, wird bei Verwendung externer Bewehrungselemente die Prüfung der Stahlelemente durch bessere Einsehbarkeit erleichtert und darüber hinaus der stahlbautechnische Aufwand reduziert.

Die Verwendung der Bauweise beschränkt sich nicht nur auf Walzprofile. Auch innerhalb von geschweißten Konstruktionen können die eher aufwendig herzustellenden Kopfbolzendübel durch die besonders geformten Verbunddübel ersetzt werden. Das Projekt leistet einen technischen Beitrag, dem hohen Bedarf an Brücken mit kleiner und mittlerer Spannweite mit effizienten Lösungen zu begegnen

Institut für Stahlbau, RWTH Aachen University
Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann
Sandro Citarelli M.Sc.

Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen University
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
Prof. Dr.-Ing. Sebastian Münstermann
Dr.-Ing. Victoria Brinnel

Institut für Stahlbau, RWTH Aachen University
Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann
Dr.-Ing. Simon Schaffrath
Dipl.-Ing. Dirk Schäfer

Verantwortlich für die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.
Dr. Gregor Nüsse M.Sc.

Forschungsvorhaben P 1091 / IGF-Nr. 18711 BG:  Entwicklung eines Konzeptes zur Erfassung von Vorspannkraftverlusten in vorgespannten Schraubverbindungen unter Ermüdungsbeanspruchung

Institut für Metall- und Leichtbau, Universität Duisburg-Essen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner
Lukas Makevicius M.Sc.

Fraunhofer-Einrichtung für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel
Prof. Dr.-Ing. Ralf Glienke
Dipl.-Ing. Maik Dörre

Verantwortlich für die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.
Dr. Gregor Nüsse M.Sc.