Mittelspannung

Stahlkonstruktionen aus Hohlprofilen weisen aufgrund der Möglichkeit zur Ausbildung von leichten und schlanken Konstruktionsformen und der damit verbundenen Gewichtsoptimierung ein großes wirtschaftliches Potential auf. Sie sind daher eine weitverbreitete Konstruktionsform in unterschiedlichen Anwendungsbereichen des Maschinen- und Anlagenbaus wie dem Nutzfahrzeug- und Kranbau als auch bei land- und forstwirtschaftlichen Geräten.

In Abhängigkeit der Profilform, der Wanddicken sowie des Schweißnahtvolumens geht man in den aktuellen Normen und Richtlinien von einem unterschiedlich starken Einfluss der vorhandenen Mittelspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit aus. Existierenden Regelwerke für geschweißte Hohlprofilknoten wie CIDECT oder DIN EN 1993-1-9 behandeln den Mittelspannungseinfluss zum Beispiel nicht. Die IIW-Empfehlungen oder auch DVS1612 berücksichtigen den Mittelspannungseinfluss auf die Ermüdungsfestigkeit in Abhängigkeit der Eigenspannungen. Diese unterschätzen allerdings die Mittespannungsempfindlichkeit, wie in eigenen Wöhlerversuchen einer hochfesten Legierung festgestellt wurde. Diese Fehlprognose stellt bei Extrapolation von niedrige auf höhere Mittelspannungen ein Sicherheitsrisiko dar, verlässliche Nachweiskonzepte fehlen. Neben dem Bauteileinfluss mit hoher Spannungskonzentration bei Hohlprofilknoten wird auch der Größen- der Werkstoffeinfluss für diese Abweichungen vermutet. Anderseits führt die Vernachlässigung des Mittelspannungseinflusses bei Beanspruchungen im Druckbereich zu unwirtschaftlichen Konstruktionen.

Im Rahmen dieses AiF-Forschungsprojekts FOSTA P1603 wird zunächst eine experimentelle Datenbasis für unterschiedlichster Werkstoffe des Maschinen-/Fahrzeug-/Stahl- und Kranbaus erarbeitet. Dabei werden eine größere Anzahl an experimentellen Untersuchungen an geschweißten Hohlprofilknoten für den Anwendungsbereich von Nutzfahrzeugstrukturen und Kranstrukturen durchgeführt. Für die Bemessungskonzepte der einschlägigen branchenspezifischen Normen werden Handlungsempfehlungen aufbauend auf diesen gewonnenen Ergebnissen ausgearbeitet.

Anschließend wird mittels Anwendung der Bruchmechanik geprüft werden, ob die experimentell ermittelten Wöhlerlinien auch synthetisch ermittelt werden können, um eine Erleichterung der Lebensdauerabschätzung für weitere Stahlqualitäten sowie von Betriebsfestigkeitsnachweisen zu ermöglichen.

Aufbauend auf den erzielten Ergebnissen soll anschließend ein modifiziertes Ansatzkonzept zur Berücksichtigung der vorhandenen Mittelspannungen auf die Lebensdauer auf Grundlage, der in der Praxis zur Anwendung kommenden Nachweiskonzepte erfolgen. Ziel des Forschungsprojekts ist es, für variable Mittelspannungen zukünftig die Lebensdauer für Hohlprofilkonstruktionen treffsicherer prognostizieren zu können und die Bauteilzuverlässigkeit zu verbessern. Damit sollen Produktrisiken bei der Anwendung von Hohlprofilen minimiert und geschweißte Konstruktionen ressourcenschonender ausgelegt werden.