Untersuchungen an geschweißten I-Trägern aus normal- und hochfestem Baustahl: Beitrag zur Erweiterung der Tragfähigkeitsnachweise durch Einsatz der Schweißsimulation

Investigations on welded I-beams of normal and high-strength structural steel: Extension of capacity design concepts by implementing welding simulation solutions

  • Im Stahlbau werden häufig Schweißträger eingesetzt. Als Profilform ist die des I-Trägers am weitesten verbreitet. Die Fertigung dieser Querschnitte erfolgt heute überwiegend vollmechanisiert im Werk durch z.B. Metall-Aktivgas-Schweißen. Dabei bewirkt der Schweißvorgang stets auch Eigenspannungen und Verformungen im Bauteil. Diese sogenannten Schweißimperfektionen zusammen mit weiteren Fertigungstoleranzen überlagern sich im Bauteileinsatz mit Lastspannungen und bewirken dadurch eine Absenkung der Tragfähigkeit. Die Erfassung dieser Einflüsse kann direkt im Rahmen einer vollständig nichtlineareren, sogenannten GMNIA-Berechnung erfolgen. Diesbezüglich sind besonders mit der Annahme der Eigenspannungen in Trägern aktuell noch große Unsicherheiten verbunden. Zur direkten Berücksichtigung von Eigenspannungen kann auf verschiedene vereinfachte Eigenspannungsmodelle aus der Literatur zurückgegriffen werden. Diese basieren größtenteils auf rein geometrischen Festlegungen ohne Berücksichtigung von Fertigungsrandbedingungen oder der Stahlgüte.Im Stahlbau werden häufig Schweißträger eingesetzt. Als Profilform ist die des I-Trägers am weitesten verbreitet. Die Fertigung dieser Querschnitte erfolgt heute überwiegend vollmechanisiert im Werk durch z.B. Metall-Aktivgas-Schweißen. Dabei bewirkt der Schweißvorgang stets auch Eigenspannungen und Verformungen im Bauteil. Diese sogenannten Schweißimperfektionen zusammen mit weiteren Fertigungstoleranzen überlagern sich im Bauteileinsatz mit Lastspannungen und bewirken dadurch eine Absenkung der Tragfähigkeit. Die Erfassung dieser Einflüsse kann direkt im Rahmen einer vollständig nichtlineareren, sogenannten GMNIA-Berechnung erfolgen. Diesbezüglich sind besonders mit der Annahme der Eigenspannungen in Trägern aktuell noch große Unsicherheiten verbunden. Zur direkten Berücksichtigung von Eigenspannungen kann auf verschiedene vereinfachte Eigenspannungsmodelle aus der Literatur zurückgegriffen werden. Diese basieren größtenteils auf rein geometrischen Festlegungen ohne Berücksichtigung von Fertigungsrandbedingungen oder der Stahlgüte. Nichtsdestotrotz haben sich diese einfachen Modelle, auch mangels des Fehlens aktuellerer Forschungsergebnisse, für numerische Berechnungen im Stahlbau bis zuletzt durchgesetzt. Des Weiteren bestehen heute Möglichkeiten, eine numerische Schweißstruktursimulation zur Ermittlung der Eigenspannungen in Schweißträgern durchzuführen. Auch die vereinfachten Schweißsimulationsmodelle zur Berechnung großer Bauteile haben sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt. Im Stahlbau erfolgten bisher jedoch kaum Anwendungen dieser Methoden. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt deshalb in der Untersuchung von Methoden der Schweißsimulation im Hinblick auf eine Anwendung an Schweißträgern und hier im Speziellen an geschweißten I-Trägern. Im Ergebnis sollte ein numerisch-basierter, einfacher Ansatzes zur direkten Abbildung des Schweißeinflusses in Tragfähigkeitsberechnungen bereitgestellt werden. Mit einem solchen vereinfachten Schweißsimulationsmodell können zudem neben den Schweißeigenspannungen auch die Schweißverformungen berechnet werden. Der Einfluss des Fertigungsprozesses kann dadurch viel genauer in die Bemessung einbezogen werden. Ausgangspunkt der Untersuchungen bildeten Eigenspannungsmessungen an konventionell geschweißten I-Trägern aus normal- und hochfesten Baustählen. Anschließend wurden diese durch numerische Schweißstruktursimulationen ergänzt. Danach erfolgte darauf aufbauend die Ableitung eines vereinfachten, numerischen Berechnungsmodells zur weiteren Berücksichtigung von Eigenspannungen in nichtlinearen Tragfähigkeitsmodellen. Abschließend wurden vergleichende numerische Tragfähigkeitsanalysen durchgeführt und daraus Empfehlungen für eine bessere Erfassung des Schweiß- und Materialeinflusses in der Tragfähigkeitsberechnung abgeleitet.show moreshow less
  • In steel construction, welded beams are often used. As a profile shape, the I-section is most common. Their manufacture is typically done under workshop conditions by means of, e.g., fully mechanized metal active gas welding. The welding process always causes residual stresses and deformations in the component. In use, these so-called weld imperfections superimpose with loading stresses and other manufacturing tolerances, thereby causing a reduction of the ultimate load capacity. The consideration of such influencing parameters can be realized directly in scope of a fully nonlinear, so-called GMNIA-analysis. In this context, however, major uncertainties are still associated with the assumptions on residual stresses in welded beams. For a direct consideration of residual stresses, different simplified residual stress models from the literature are available. For the most part, these models are based on purely geometric specifications without consideration of the manufacturing conditions or the steel grade. Nevertheless, in the absenceIn steel construction, welded beams are often used. As a profile shape, the I-section is most common. Their manufacture is typically done under workshop conditions by means of, e.g., fully mechanized metal active gas welding. The welding process always causes residual stresses and deformations in the component. In use, these so-called weld imperfections superimpose with loading stresses and other manufacturing tolerances, thereby causing a reduction of the ultimate load capacity. The consideration of such influencing parameters can be realized directly in scope of a fully nonlinear, so-called GMNIA-analysis. In this context, however, major uncertainties are still associated with the assumptions on residual stresses in welded beams. For a direct consideration of residual stresses, different simplified residual stress models from the literature are available. For the most part, these models are based on purely geometric specifications without consideration of the manufacturing conditions or the steel grade. Nevertheless, in the absence of recent research, these simple models have maintained for numerical calculations in steel construction until today. Moreover, it is nowadays possible to determine the residual stresses in welded beams numerically by means of a structural welding simulation. In this context, also simplified welding simulation models for the calculation of larger components have been steadily improved in recent years. In steel construction, however, hardly any application of such methods has been made so far. A particular focus of this work is therefore in the investigation of welding simulation methods with regard to their application on welded beams and particularly welded I-beams. The aim was thus to provide a numerically based, simple approach for the direct implementation of welding influences in load calculations. With such a simplified welding simulation model, in addition to the welding residual stresses, the weld deformations can also be calculated. Accordingly, the influence of the manufacturing process can be much more realistically included in the design. Starting point of the investigations were residual stress measurement on conventionally welded I-beams made of normal and high-strength structural steels. Subsequently, numerical structural welding simulations supplemented these. Thereupon, the development of a simplified numerical calculation model for the further consideration of residual stresses in nonlinear load capacity models took place. Finally, comparative numerical load capacity analyses were carried out to provide recommendations for a better determination of welding and material influences in these calculations.show moreshow less

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Metadaten
Author: Benjamin Launert
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48825
ISSN:1611-5023
Series (Serial Number):Schriftenreihe Stahlbau (16)
Referee / Advisor:Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Hartmut Pasternak, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Kannengießer, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthias Kraus
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2019
Date of final exam:2019/06/27
Release Date:2019/08/07
Tag:Eigenspannungen; GMNIA; Geschweißter I-Träger; Numerische Schweißsimulation; Vereinfachtes Modell
Numerical welding simulation; Residual stresses; Simplified model; Welded I-girder
GND Keyword:Doppel-T-Träger; Baustahl; Schweißspannung; Numerisches Modell
Institutes:Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Stahl- und Holzbau
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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