Fostabericht P 1132 - Erweiterung der Ermüdungsbemessung von K-Knoten mit Spalt aus RHP auf hochfeste Stähle und dickwandige ProfileFostabericht P 1132 - Erweiterung der Ermüdungsbemessung von K-Knoten mit Spalt aus RHP auf hochfeste Stähle und dickwandige Profile

P 1132 – Erweiterung der Ermüdungsbemessung von K-Knoten mit Spalt aus RHP und KHP auf hochfeste Stähle und dickwandige Profile

50,00 zzgl. MwSt

ISBN: 978-3-946885-73-3 Kategorien: ,

Beschreibung

P 1132 – Erweiterung der Ermüdungsbemessung von K-Knoten mit Spalt aus RHP und KHP auf hochfeste Stähle und dickwandige Profile

Zur Umsetzung des Leichtbaus werden zunehmend auch ermüdungsbeanspruchte Konstruktionen aus hochfesten Stählen hergestellt. Im Fachwerkbau ist dabei der K-Knoten mit Spalt die bevorzugte Knotenkonfiguration. Zur leichteren Anwendung und Bemessung solcher Knoten aus hochfesten Stahlgüten und mit größeren Wanddicken müssen die bestehenden Bemessungsregeln angepasst und erweitert werden.
Das zu diesem Zweck durchgeführte Versuchsprogramm umfasst insgesamt 55 Ermüdungsversuche an K-Knoten aus Rechteckhohlprofilen (RHP) und Kreishohlprofilen (KHP) unterschiedlicher Abmessungen aus S355, S500 und S700. K-Knoten kleinerer Abmessungen werden bei TNO in Delft, Niederlande auf einem Versuchsstand mit Einzelzylindern geprüft. K-Knoten mit großen Abmessungen werden am KIT in Karlsruhe auf einem eigens angefertigten Prüfrahmen geprüft. Die Auswertung der experimentellen Untersuchungen erfolgt nach dem Nennspannungskonzept der EN 1993-1-9 (2010) durch die Erstellung von Wöhlerkurven.
Insbesondere die Versuche an kleinen KHP K-Knoten mit überschweißtem Spalt zeigen, dass die Ermüdungsfestigkeit neben den Knotenabmessungen und den geometrischen Parametern auch von der Schweißnahtausführung und -geometrie abhängt. Dies wird in den Bemessungsregeln nicht berücksichtigt, kann jedoch für die Konstruktion von ermüdungsgerechten Strukturen genutzt werden. So kann bei den KHP K-Knoten mit überschweißtem Spalt die Ermüdungsfestigkeit um zwei Kerbklassen von 71 auf 90 erhöht werden.
Im Gegensatz dazu werden die untersuchten kleinen RHP K-Knoten mit Schweißanfangs- und Schweißendpunkten in den Ecken der Strebenprofile hergestellt, wodurch die Schwachstelle der Schweißnaht mit dem Hot-Spot der Geometrie zusammenfällt. Die Versuchsergebnisse dieser Probekörper stellen damit eine Untergrenze für die Ermüdungsfestigkeit dar. Die Ermüdungsfestigkeit von K-Knoten hängt stark von der Wanddicke der Bauteile und deren Verhältniswert t ab. Die Klassifizierung für den Nennspannungsansatz erfolgt daher zu Recht anhand des inversen Wanddickenverhältnis 1/Τ = t0 / Τi.
Die Ergebnisse der Ermüdungsversuche an großen RHP und KHP K-Knoten aus S355 und S700 mit 20 mm Wandstärke passen gut in die vorhandenen Kerbklassen und können ohne Wandstärkenreduzierung nach CIDECT Design Guide 8 oder EN 1993-1-9 (2010) eingestuft werden. Parallel dazu werden numerische Berechnungen angestellt, die zur Ausweitung des Gültigkeitsbereichs dienen. Die FiniteElemente-Modelle werden anhand von Dehnungsmessungen in Verifikationsversuchen kalibriert. Dafür werden Volumenelemente verwendet und die Schweißnähte mit abgebildet, um eine exakte Abbildung der lokalen Spannungen in der Schweißnaht zu ermöglichen.
Eine Parameterstudie wird durchgeführt, um den betrachteten Parameterbereich zu erweitern und den Einfluss einzelner geometrischer Parameter, wie Gurtschlankheit 2y, Wanddickenverhältnis t, Breiten- bzw. Durchmesserverhältnis ß oder Strebenneigungswinkel O zu identifizieren. Für RHP K-Knoten werden 72 verschiedene Knotenkonfigurationen mit jeweils 4 getrennten Lastfällen berechnet. KHP K-Knoten werden in 16 unterschiedlichen Abmessungen mit jeweils 3 Lastfällen berechnet, so dass insgesamt 336 FE-Modelle innerhalb der Parameterstudie erstellt, berechnet und ausgewertet werden. Zudem werden anhand der Dehnungsmessungen im Versuch Spannungskonzentrationsfaktoren ermittelt. Diese dienen dann zusammen mit den Ergebnissen numerischer Parameterstudien zur Validierung bzw. Anpassung vorhandener SCF-Formeln.
Für RHP K-Knoten wird eine Neubewertung früherer und neuer Daten für den Lastfall „Axiale Belastung der Strebe (AX)“ durchgeführt und geeignete Formeln mit einer geringfügigen Modifikation vorhandener CIDECT-Formeln bereitgestellt. Für RHP K-Knoten mit Spalt unter Strebenbiegung in der Ebene (IPB) sind in CIDECT keine Formeln angegeben. Hierfür ist ein neuer Satz von Gleichungen entwickelt worden.
Die Auswertung der Strukturspannungen von KHP K-Knoten unter axialer Belastung der Streben zeigt, dass die SCFs nach CIDECT-Formeln im Vergleich zu den SCFs nach DNV GL-PR-C203 (2016) und aus FEA häufig sehr konservative Werte liefern. Da DNV GL-PR-C203 (2016) einen größeren Anwendungsbereich hat und SCF-Formeln für die Lastfälle IPB und Out-of-Plane-Bending (OPB) bereitstellt, ist es sinnvoll, diese Formeln zu verwenden. Lediglich die Formel für SCFs für den Gurt unter IPB wird derart modifiziert, so dass die SCFs auf der sicheren Seite liegen. Da die Ermüdungsfestigkeit von Hohlprofilverbindungen stark von den dimensionslosen Parametern abhängt, sollte dies bereits bei der Planung durch Auswahl geeigneter Parameter berücksichtigt werden. Durch sorgfältige Planung und Ausführung können ermüdungsgerechte Hohlprofilkonstruktionen realisiert werden, auch bei Verwendung hochfester Stähle.

Veröffentlichung:
März 2020

Autoren:
Dr.-Ing. S. Herion, Dr.-Ing. J. Hrabowski, Prof. Dr.-Ing. T. Ummenhofer, Dipl.-Ing. P. Ladendorf, Dr. ir. R. Pijpers