FOSTA-Berichte

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.

Die rechnerische Prognose des Verhaltens von Eisenbahnbrücken ist oftmals nicht zufriedenstellend. Messungen können in vielen Fällen zeigen, dass sich das betreffende Brückenbauwerk in der Realität deutlich günstiger verhält als in der Berechnung. Da Eisenbahnbrücken durch die regelmäßigen Achsabstände der überfahrenden Züge z.T. sehr hohen dynamischen Lasten ausgesetzt werden, gilt es, die Eigenfrequenzen und zugehörigen Modalformen, die durch Vertikallasten angeregt werden können, möglichst genau vorherzusagen. Ebenso von Interesse sind die Dämpfungseigenschaften des Bauwerks. Zurückführen lassen sich die Unterschiede zwischen berechneten und gemessenen Eigenfrequenzen zumindest teilweise darauf, dass sich die Beiträge bestimmter Ausbauelemente zur Systemsteifigkeit und -dämpfung nach derzeitiger Normenlage nicht bei der Bauwerksmodellierung berücksichtigen lassen.

Bei Brücken mit integralen Widerlagern stellt sich zusätzlich die Frage nach der Mitwirkung des Hinterfüllungsmaterials. Zur Klärung dieser Fragestellung wurde die Rahmenbrücke über die Salzach in mehreren Bauzuständen messtechnisch untersucht. Die Messergebnisse werden in Kapitel 2 des vorliegenden Berichtes vorgestellt. Da sich bei dieser Brücke speziell nur ein vernachlässigbarer Einfluss des Hinterfüllungsmaterials beobachten ließ, wurden zusätzlich Parameterstudien mit numerischen Modellen durchgeführt. Diese werden in Kapitel 3 vorgestellt.

Neben den dynamischen Kurzzeitbelastungen durch die überfahrenden Züge, gilt es bei Brücken mit integralen Widerlagern den Einfluss jahreszeitlicher Unterschiede auf das Tragwerk zu untersuchen. So resultieren jahreszeitlich bedingte Längungen und Kürzungen des Überbaus in einer Änderung der Erddruckbelastung bzw. in einer Änderung der dynamischen Eigenschaften des Systems „Bauwerk – Hinterfüllung“.

Im Kapitel 4 des vorliegenden Berichtes werden die durchgeführten Messungen an der Rednitztalbrücke vorgestellt und ausgewertet. Die Rednitztalbrücke ist eine 170 m lange integrale Brücke. Der Fokus bei den Messungen liegt auf der Analyse der Verformungen des integralen Tragwerks und der Beanspruchung des Gleises im Bereich des Bauwerks und des Übergangs zum Damm unter klimatischen Einwirkungen (Langzeitmonitoring). Ziel der Messung ist die Charakterisierung der thermischen Dehnungen des Überbaus und der Interaktion mit dem Hinterfüllbereich. Auf Basis der Erkentnisse zu den Bauwerksverformungen werden die Schienenspannungen ausgewertet und für einen
anschließenden Modellvergleich aufbereitet.

Die Erkenntnisse, die im Projekt zur realistischen Modellierung von Eisenbahnbrücken
mit integralen Widerlagern gewonnen werden konnten, werden für den Anwender in Kapitel 6 zusammengefasst. Das ursprüngliche Ziel des Forschungsvorhabens konnte damit erreicht werden.

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

Für den Bau von Hochregallagern kommen in aller Regel fachwerkartige Ständerrahmen aus dünnwandigen, kaltgeformten Stahlprofilen zur Ausführung. Konstruktionsbedingt weisen die Ständerrahmen eine im Vergleich zur Schubtheorie von Engesser signifikant reduzierte Schubsteifigkeit auf. Bisher sind die Grundlagen zur analytischen Berechnung der Schubsteifigkeit nicht gegeben und es ist gängige Praxis die Schubsteifigkeit der Ständerrahmen auf experimentellem Weg zu bestimmen. Diese Herangehensweise ist sehr kostenintensiv und verhindert eine gezielte Optimierung der hoch beanspruchten Regaltragwerke. Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens erfolgte zunächst eine
umfassende Literaturrecherche. Dabei wurden die vorhandenen Erkenntnisse zu den maßgeblichen Einflussfaktoren zusammengetragen und die Grundlagen für die Anwendung der Komponentenmethode aufbereitet. Mit Hilfe von insgesamt 73 Großbauteilversuchen ist das Trag- und Verformungsverhalten der Ständerrahmen in „liegenden“ und „stehenden“ Rahmenschubversuch detailliert analysiert worden. Auf Basis der Versuchsergebnisse und weiterführender Vergleichsrechnungen konnte gezeigt werden, dass die reine Schubsteifigkeit unabhängig von der Versuchsdurchführung ist und die differierenden Ergebnisse allein auf die unterschiedlich großen Anteile der globalen Biegeverformungen zurückzuführen sind. Die in den Großbauteilversuchen vertieften Kenntnisse über das Trag- und Verformungsverhalten der Ständerrahmen haben dazu beigetragen, die wesentlichen Einflussfaktoren zu identifizieren und eine Aufteilung der Ständerrahmen in acht
Komponenten zu entwickeln. Für jede dieser Komponente sind Steifigkeitskoeffizienten auf analytischem oder numerischem Weg hergeleitet worden. Aufbauend auf den Arbeiten von Engesser ist ein Gesamtmodell entwickelt worden, dass es erlaubt die anteiligen Schubsteifigkeit der Ständerrahmen – analog zu einer Reihenschaltung von Federn – zu einer äquivalenten Federsteifigkeit zusammenzufassen. Mit Hilfe des Gesamtmodells und der Zerlegung der Ständerrahmen in acht Komponenten, können Schlüsselkomponenten identifiziert und die Ständerrahmen im Hinblick auf die Schubsteifigkeit gezielt optimiert werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sind mögliche Optimierungspotentiale aufgezeigt und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen durchgeführt worden. Für eine einfachere Anwendung in der Praxis ist für das Gesamtmodell zudem eine baupraktische Aufbereitung erfolgt, deren Anwendung in Musterberechnungen
vorgestellt wird.

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

Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e. V., Berlin
Dipl.-Inf. Daniel Herfert
M. Sc. Matthias Günther

Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg
Dr.-Ing. Silke Sommer
M. Sc. Philip Rochel

Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF), Universität Paderborn
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut
Dr.-Ing. David Hein
M. Sc. Patrick Giese

Verantwortlich für die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.
Dipl.-Ing. Franz-Josef Heise

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.

P 1019 / IGF-Nr. 17925 N : Ableitung neuer, verbesserter Festigkeitskriterien für Stahlbauteile