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Keywords
- Stahlbau, Stabilität, Normen (2)
- 3D laser scanning (1)
- Abaqus Welding Interface (1)
- Bauteilversuche, Stahlbau, Stabilität, Normen (1)
- Experimental investigations (1)
- Innovative structures (1)
- Stahlbau (1)
- Welded Joints, Welding Simulation, Engineering Models, Load Capacity Calculation (1)
- Welded plate girders; Welding simulation; Residual welding stress; Load capacity (1)
- Welding simulation (1)
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BTU
Beim Aufbau großer Stahlstrukturen im Brücken- oder Stahlhochbau wird heute vermehrt auf modulare Fabrikfertigung gesetzt. Ein Fügen dieser Module auf der Baustelle zu einer Gesamtstruktur ist aber weiterhin notwendig. Als Fügeverfahren wird hier häufig das MAG-Mehrlagenschweißen eingesetzt. Gerade an dicken Blechen stellen Baustellenschweißungen nicht nur besondere Anforderungen an den ausführenden Betrieb, die Bauleitung und Bauüberwachung, sondern auch an den Konstrukteur. Wichtig für den Konstrukteur ist die Kenntnis der sich durch Schweißungen einstellenden Schrumpfung der Bauteile, der auftretenden Verzüge und Eigenspannungen. Gerade bei Baustellenschweißungen müssen diese Aspekte in der Konstruktionsphase der Einzelkomponenten mit berücksichtigt werden, um die erforderlichen Toleranzen bei der Montage einzuhalten. Eine genaue Kenntnis der durch Schweißungen verursachten Phänomene ist in den Konstruktions- und Montagebetrieben oft nur aus mehrjährigen Erfahrungen vorhanden. Ein grundlegendes, vollständiges Bild der Abläufe beim Schweißen auf der Baustelle, das es ermöglicht, dieses Wissen auf neue Konstruktionen zu übertragen, fehlt bisher. Insbesondere für die immer öfter im Brücken- und Stahlhochbau eingesetzten höherfesten Feinkornbaustähle (z.B. S460) ist die Kenntnis des Verhaltens bei Baustellenschweißungen notwendig.
Hier setzt der Forschungsantrag an. Mit Hilfe der Schweißsimulation können die Auswirkungen von Schweißnähten, wie die Entstehung von Verzügen und Eigenspannungen am Bauteil, global dargestellt werden. Eine anschließende Struktursimulationen (Festigkeits- und Steifigkeitsberechnungen) mit aus der Schweißsimulation integrierten Ergebnissen bildet die Basis für ergänzende Untersuchungen.
Montagestöße sind außerdem durch Verschmutzung und Witterung negativ beeinflusst. Die Montage kann beispielsweise bei niedrigen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts durchgeführt werden müssen. Diese Situation wurde in einer Klimakammer simuliert und die Auswirkungen der Umgebungstemperatur bei der Montage auf das Tragverhalten der Verbindung untersucht. Für die im Rahmen des Vorhabens untersuchten Fälle ist kein Einfluss variierender Umgebungstemperaturen bis -10 °C auf die resultierenden Schweißeigenspannungen festzustellen. Der Vergleich von Verzug und Eigenspannung gegenüber normativ vorgegeben Toleranzwerten sowie vereinfachten Ingenieurmodellen für die Approximation des Eigenspannungsverlaufs zeigt große Defizite. Bei realitätsnaher Implementierung der Eigenspannungen in die Traglastberechnung können z.T. große Reserven im Rahmen der nichtlinearen Traglastberechnung ausgenutzt werden.
This article presents experimental and numerical results of the fabrication of welded plate girders under workshop conditions. Main concerns are the prediction of imperfections with the aid of simulation tools and/or simplified engineering models. Their impact on the component design is evaluated in a case study. Special focus is put on the effect of residual welding stress. For this, different simplified distributions are compared with results from welding simulation. The findings confirm the thesis that present recommendations on the implementation of weld-induced imperfections must be rated conservative. This suggests that it is necessary to establish new models. Guidance on future problems in this context will be given.
Der steigende Energiebedarf erfordert unter Beachtung des Vorrangs erneuerbarer Energiequellen wie Wind, Wasser und Sonne die Nutzung von Konstruktionslösungen, die die daraus resultierende Aufgabe der Energiegewinnung wirtschaftlich umzusetzen. Im vorliegenden Beitrag wird eine Lösung beschrieben, die helfen soll, die Windenergie zur Stromerzeugung in schlecht zugänglichen Gebieten, an Standorten mit großer Entfernung zu anderen Anlagen der Stromgewinnung oder in Gegenden für kleine Wohn- oder Industriebauten, wo die Wirtschaftlichkeit nachgewiesen werden kann, zu nutzen. Auch die Stromerzeugung für Baustellenbetrieb ist denkbar. Hierfür können Kleinwindenergieanlagen (KWEA) eine Alternative zur Stromerzeugung sein. Der vorliegende Beitrag beinhaltet Vorschläge zur konstruktiven Gestaltung, Besonderheiten der Berechnung und ein Beispiel für die Ausführung der Tragstruktur von KWEA. Grundlage für die Berechnung und Ausführung ist die DIN EN 61400–2:2006, deren Besonderheiten mit diesem Beitrag demonstriert werden.
For stadium roofs light weight constructions, that are tensioned between a cantilevering steel compression ring, are commonly build around the globe, mostly for social events like sport games and concerts. They allow having no columns in the viewing area and also spanning the whole arena. With the additional use of membranes as the roof shell, the inside of the building will get naturally lighted. With the knowledge of the occurring loads, an economic structure can be found to optimize the edge structure. Frequently the form finding process will use the death loads as decisive action because for only one load case a moment free form can be determined. Other load cases will cause bending in the girder. The process also allows having only supports at the low points and a cantilever arises. These types of roofs will be compared with two exemplary canopies in Germany. The main focus will be on the assembly of the edge girder, which will evoke challenges for planning as well as the actual manufacturing process. The steel edge girder is double curved and has a spatially shape. The welded box exists of 4 to 5 curving plates that have thicknesses from 15mm to 55mm and will vary in their height. Due to welding residual stresses occur during the assembly in the factory as well as on the construction side. For the design of the girders, the residual stresses need to be determined. The identified results of the residual stresses will vary through the plate thickness and will differ for residual longitudinal and residual transverse stresses. The longitudinal residual stresses, as the relevant residual stresses for axial forces, will be farther scrutinized. Due to its complex geometry the challenges of the simulation will be presented for the manufacturing process and the construction site assembly. For the farther investigation the calculated stresses will be taken for a load capacity calculation of a section of the edge girder. Due to the forming geometry and the welding process, both effects need to be considered. This calculation will also show that the edge girder needs to be stiffened in the inside with bulkhead plate’s und longitudinal stiffeners. Both authors are involved in the verification of the objects (Customer Centre in the Autostadt Wolfsburg-CC, Schierke-Arena ‐FA in the Harz Mountains) mentioned below.
Several approaches on geometrical and structural imperfections are given in the literature for I sections and rectangular box girders. Those approximations of the residuals stress state can be implemented into the structural analysis using multi-purpose FEM program packages. The knowledge of the stress state of free forming cross sections has still to be determined. To fulfil a safe design, the assumptions mostly will be very conservative due to the lack of the assumed stress state. This will result directly to increased thicknesses or additional stiffening of the plates. Not only the material cost will rise, but also the fabrication costs like welding will be affected. This paper aims to provide an overview on the possibilities in the numerical prediction of weld residual stresses and weld induced deformations for cross sections with unique shapes. With the obtained values the tendencies of the residual stress state and deformations will be used to optimize the design. A representative example on a section used in a steel compression ring of a realized roof is described and analyzed using a simplification of a numerical welding simulation. The reduced simulation of the originally transient weld procedure was held to a practically reasonable level and can be reproduced for similar problems. The calculations used the Abaqus Welding Interface (AWI) to automate working steps in conjunction with the definition of weld passes and their sequencing. The field of the method that is discussed also a need of further investigations to prove its applicability. Some experimental back up is requires to verify the result quality. Nonetheless, this method could already help to show up tendencies or to identify potential critical spots in the design.