FG Baustatik, Stahlbau, FEM
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Das Phänomen Ratcheting - Auswirkung plastischen Materialverhaltens bei ortsveränderlicher Belastung
(2017)
Bei Belastungsänderungen kann eine progressive Deformation (Ratcheting) auftreten, sobald plastische Beanspruchungen im Tragwerk existieren. Dann akkumulieren sich Dehnungen und Verformungen im Falle zyklischer Belastung in jedem Belastungszyklus. Dieser Vorgang begrenzt die Lebensdauer eines Tragwerks, ist aber unabhängig von einer eventuell ebenfalls auftretenden Ermüdungsschädigung als eigenständige mögliche Schadensursache zu betrachten. Bekannt als Auslöser von Ratcheting und in manchen Regelwerken bereits berücksichtigt sind Konfigurationen, bei denen ein Tragwerk mindestens zwei unterschiedlichen Belastungsarten unterworfen ist, nämlich einer konstanten Belastung (der Primärlast) und einer überlagerten zyklischen Belastung. Selbst wenn letztere klein ist und für sich alleine keine plastischen Deformationen hervorruft, kann sie durch Zusammenwirkung mit der Primärlast dennoch eine progressive Deformation in Gang setzen.
In der vorliegenden Arbeit wird ein weiterer, Ratcheting erzeugender Mechanismus vorgestellt, der allein auf ortsveränderliche Wirkung einer einzelnen Lastgröße zurück zu führen ist. Im einfachsten Fall lässt sich dieser erklären durch die sukzessive Aktivierung von (gegebenenfalls unendlich vielen existierenden) Fließgelenken. Die Inkremente der Dehnungen und Verformungen können von Zyklus zu Zyklus ab- oder zunehmen, wenn die Verfestigung des Werkstoffs berücksichtigt wird, elastische Bettung vorliegt, die Formulierung des Gleichgewichts am verformten System erfolgt (Theorie II. Ordnung) oder die wahre Verformungsgeometrie (Theorie III. Ordnung) berücksichtigt wird.
Plastische Tragreserven werden im Stahlbau häufig planmäßig in Anspruch genommen und zumindest auf der Bewertungsseite (Verfahren Elastisch - Plastisch der DIN 18800) oder zusätzlich auch auf der Ermittlungsseite der Beanspruchungen (Verfahren Plastisch - Plastisch) quantitativ berücksichtigt. In diesen Nachweisverfahren lauern jedoch einige Gefahren, die nicht immer leicht zu erkennen sind. Einige davon werden in diesem Beitrag angesprochen.
Es wird eine Vereinfachte Fließzonentheorie zum Nachweis gegen Ratcheting (progressive Deformation) vorgestellt. Sie beruht auf der Zarka-Methode und gestattet nicht nur festzustellen, ob die Struktur infolge zyklischer Belastung elastisch oder plastisch einspielt (qualitativer Nachweis), sondern auch die Bestimmung der mit dem Einspielen verbundenen elastisch-plastischen Dehnungen und Verformungen (quantitativer Nachweis). Der vorliegende Bericht stellt eine Erweiterung zum Vorgängervorhaben SR 2221 dar, das (unter anderem) bereits eine Variante der Zarka-Methode zur Berechnung elastisch-plastischer Dehnschwingbreiten (Faktor Ke) zum Inhalt hatte. Die der Vereinfachten Fließzonentheorie zugrunde liegenden Annahmen und die Vorgehensweise bei ihrer Anwendung für einen Ratcheting-Nachweis werden dargestellt und kritisch diskutiert. Umfangreiche Beispielrechnungen erläutern die Methode.
Es wird eine vereinfachte Fließzonentheorie vorgestellt, mit der das plastische Verhalten eines Tragwerks berechnet werden kann. Sie lässt sich nicht nur auf Stabwerke, sondern auch auf Flächentragwerke unter beliebiger Belastung anwenden. Das zugrunde gelegte Werkstoffgesetz ist bilinear, wodurch Verfestigung erfasst werden kann. Die Theorie beruht auf dem Konzept transformierter interner Variabler nach Zarka, mit dem das plastische Problem in ein geeignet formuliertes elastisches Problem überführt wird. Damit fällt oft nur eine weitere elastizitätstheoretische Berechnung an mit modifizierten elastischen Werkstoffparametern und mit (in Form von Anfangsdehnungen) modifizierter Belastung. Das Ergebnis kann gegebenenfalls iterativ verbessert werden, bis das "exakte" Ergebnis erreicht ist. Mehrere Beispiele erläutern die Methode.
Es werden drei vereinfachte Methoden zur Berechnung elastisch-plastischer Dehnschwingbreiten infolge zyklischer Belastung von Komponenten der Kerntechnik vorgestellt. Es handelt sich um die Methoden von Roche, Seshadri und Zarka. Diese werden mit dem Faktor Ke des KTA-Regelwerks sowie dem im Vorhaben SR 2063 unterbreiteten Vorschlag zu seiner Modifikation verglichen. Die ihnen zugrunde liegenden Annahmen werden kritisch durchleuchtet. Ihre Anforderungen an das Werkstoffgesetz im plastischen Bereich sowie der erforderliche Berechnungsaufwand werden herausgestellt. Einfache Beispielrechnungen zeigen, durch Gegenüberstellung mit den exakten Werten, die erzielbare Genauigkeit.