LS Stahl- und Holzbau
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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.
Large-scale steel structures are not created on the site. Assembly groups are prefabricated under shop conditions and transported to the site, where the final assembly process takes place. Due to the advantages of manufacturing in a workshop, e.g. the defined ambient conditions, those assembly parts are as big as the transportation possibilities. The final assembling on the site is exposed to the ambient conditions there, which is why assembling on site may be conducted at temperatures below freezing point. Thus high cooling rates induce phase transformations at low temperature and therefore local hardening and are also affecting shrinkage, distortion and residual stresses.
Before approving the construction designers need to estimate occurring shrinkage, distortions and residual stresses never knowing what the construction workers on the site really do. It is impossible to supervise or monitor the whole assembling process. That is why it is necessary to think about possible worst cases like clamped welding components, although a clamp was not to be set. Construction workers might apply fixations in order to adhere to specifications, thus creating residual stresses which may have a significant impact on the fatigue behaviour of a construction.
In this paper large-scale specimens are investigated. These were derived from actual bridge girders and welded in a climatic chamber simulating different cooling rates on the site (up to -10°C). Welding experiments were accompanied by distortion and temperature field monitoring. Afterwards residual stresses were determined using x-ray diffraction. Finally welding distortions and residual stresses are calculated using numerical welding simulation. The simulated and experimental results are compared.
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.
In large steel construction, as in steel bridges, construction site welds are made under difficult conditions such as low temperatures and wind. The comprehensive study will show not only test results from the analysis in the climate chamber (large scale test) with low temperatures (-20°C, -10°C) as well as numerical calculations with the help of welding simulation and non-linear structural analysis. Deflections and temperature are given and compared with traditional engineering models and advises for future problems are presented. For bridge girders with I cross sections, welded thick plates are used and there joining need to be considered precisely. Effect from welding, such as deflections and residual stresses, will have an outcome on the performed component. For welding of thick plates multi-layer welding is used. The edges need to be cut before welding. The preparation process needs to be considered as well as actual joining to have an economic performance. As joint geometry the Z-joint was chosen and investigated. Results from testing as well as from the welding simulation will be shown and compared. Thereby an engineering model will be consulted to evaluate the results. To evaluate the impact of the welding process a FEM load capacity calculation was performed and will be compared with test without imperfections from the joining process.
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.
Fatique assessment of non-load carrying fillet welds after seams repair and treatment procedures
(2014)