P 884 – Geklebte Stahl-Stahlguss-Verbindungen am Beispiel von Fachwerkknoten von Rundhohlprofil-Konstruktionen

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P884

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Beschreibung

P 884 – Geklebte Stahl-Stahlguss-Verbindungen am Beispiel von Fachwerkknoten von Rundhohlprofil-Konstruktionen

Mit dem schweißtechnischen Verbund von Stahlgussknoten mit Stahlrohren werden derzeit anspruchsvolle Konstruktionen des Hochbaus, Brückenbaus, Kranbaus und Windenergieanlagenbaus realisiert. Zur Entwicklung von Bemessungsrichtlinien für geschweißte Hohlprofilknoten unter ruhender und nicht ruhender Beanspruchung sind eine Vielzahl an  Forschungsarbeiten in den vergangenen Jahrzehnten durchgeführt worden. Da bei diesen Schweißverbindungen jedoch Ermüdungsrisse von der Schweißnahtwurzel ausgehen, sind hohe Sicherheiten bei der Bemessung erforderlich.
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde eine geklebte Verbindung zum Anschluss von Rundhohlprofilen an Stahlgussknoten für die oben genannten Anwendungsgebiete entwickelt und systematisch untersucht. Die geklebte Verbindung wurde durch einen Überlappungsstoß hergestellt. Die Möglichkeit der freien Formgebung von Gussbauteilen erlaubte die Ausbildung eines abgestuften Überlappungsbereichs.
In den durch die Montage entstehenden Fügespalt wurde der Klebstoff injiziert. Das Fügeverfahren Kleben findet bei lastabtragenden, sicherheitsrelevanten Verbindungen im Bauwesen bisher kaum  Anwendung. In anderen Branchen wie dem Automobil- oder Luftfahrzeugbau ist das Kleben schon seit vielen Jahren eines der zentralen Fügeverfahren. Die Entwicklung und Validierung einer geklebten Verbindung im schweren Stahlbau stellt somit sowohl in Bezug auf die Bauteildimensionen als auch im Hinblick auf die Beanspruchungsgrößen Neuland dar.
Zur Lösung dieser Aufgabe erfolgte zunächst die Analyse von Randbedingungen sowie mechanischer und thermischer Beanspruchungen im konstruktiven Stahlbau und daraus die Ableitung von Anforderungen an die geklebte Verbindung. Zu beachten waren insbesondere die Herstellungs- und Fertigungstoleranzen der Fügepartner. Die resultierende Überlappverbindung von Stahlrohr und Gussknoten mit variierendem Spaltmaß wurde durch eine präzise gefertigte Dickschichtklebung realisiert. Oberflächenanalytische Untersuchungen und Klebversuche zeigten eine ausreichende Festigkeit der Klebung auf mit Korund gestrahlten Stahlgussoberflächen. Versuche an Substanz- und Verbundproben identifizierten und charakterisierten zwei Klebstoffe, welche die zuvor definierten Anforderungen erfüllten. Zur Fertigung der Probekörper nach dem Injektionsprinzip wurde eine teilautomatisierte Fertigungsvorrichtung entwickelt und geprüft. Diese vereinte die Prozesse Fügen, Fixieren sowie Klebstoffinjektion. Füllversuche zeigten eine blasenfreie Füllung des Fügespaltes.
Zur Untersuchung der Beständigkeit der Klebverbindung wurden quasi-statische Belastungsversuche an geklebten Rohrproben unter verschiedenen äußeren Einwirkungen/Auslagerungen durchgeführt. Ermüdungsversuche an geklebten Rohrverbindungen dienten der Ermittlung der Beanspruchbarkeit der Verbindung bei nicht ruhender Belastung. Außerdem erfolgte eine Prüfung der Klebstoffe auf ihre Beständigkeit gegenüber Kriechbeanspruchungen.
Die Tragfähigkeit geklebter Rohrproben bei Variation von Rohrquerschnitt, Klebschichtdicke, Überlappungslänge sowie bei definiert eingebrachten Imperfektionen wurde in umfangreichen experimentellen Untersuchungen bestimmt. Numerische Untersuchungen zur Optimierung der Klebfugengeometrie zeigten ein großes Potential des erarbeiteten Konzeptes „Endaufweitung der Klebfuge“. Abschließend wurden Musterbauteile mit Außendurchmesser D = 298,5 mm nach dem erarbeiteten Konzept hergestellt und geprüft. Die Klebverbindung übertrug im statischen Lastfall bei geringer Streuung eine Maximalkraft von F = 2 MN bei einer Überlappung von lediglich 110 mm.
Mit den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich geklebte Verbindungen zwischen Stahlgussknoten und Stahlrohren mit reproduzierbarer Tragfähigkeit klebtechnisch herstellen. Geklebte Stahl-Stahlgussverbindungen stellen eine Innovation dar, die neue gestalterische und konstruktive Möglichkeiten für Hohlprofilkonstruktionen aus Stahl im Hochbau, Brückenbau, Kranbau und Windenergieturmbau eröffnet.
Das IGF-Vorhaben 17199 N der FOSTA-Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am Karlsruher Institut für Technologie KIT, Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, an der Hochschule München, Labor für Stahl- und Leichtmetallbau und an dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen, durchgeführt.

Autoren:
T. Ummenhofer, M. Albiez, Ö. Bucak, H. Ehard, B. Mayer, H. Fricke

Veröffentlichung:
2015