Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau
(2022)
Ziel des Verbundvorhabens „SmartWeld“ ist es, für die schweißtechnische Fertigung von Stahlbaustrukturen exemplarisch am Beispiel von Hohlprofilknoten, welche als designrelevante Elemente von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) einsetzbar sind, die Möglichkeiten des Leichtbaus unter konsequenter Digitalisierung der Fertigungskette aufzuzeigen, um einerseits die Ressourceneffizienz zu forcieren und gleichzeitig wettbewerbsfähige Fertigungsstrategien aufzuzeigen.
Innerhalb von „SmartWeld“ werden daher die Möglichkeiten einer wirtschaftlichen Fertigung von Leichtbau-Gründungsstrukturen am Beispiel aufgelöster Tragstrukturen (Jackets) aufgezeigt. Eine lastgerechte Auslegung der Schweißverbindungen nach bionischen Prinzipien ermöglicht, weitere Einsparpotenziale an Ressourcen bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer zu erschließen.
Die Ausnutzung konstruktiver Prinzipien des Leichtbaus zur Erzeugung innovativer und ressourcenschonender Produkte erfordert den Einsatz digitaler Werkzeuge in der Designphase, der virtuellen Absicherung, der Fertigung und Qualitätsüberwachung sowie nachgelagerten Bauteilprüfung zur Abbildung der Nutzungsphase. Im Rahmen der Arbeiten wird daher der gesamte Produktentstehungs- und Prüfprozess betrachtet. Dies beinhaltet das Design im Kontext des konstruktiven Leichtbaus, den schweißtechnischen Fertigungsprozess, die Bauteilprüfung sowie den Transfer der Ergebnisse in die Industrie durch serientaugliche Demonstratoren. Der Fokus der Arbeiten ist, die Fertigung auch im Umfeld eines für großskalige Stahlstrukturen üblichen hohen Individualisierungsgrades schweißtechnisch zu automatisieren und das Leichtbaupotenzial gezielt umzusetzen. Die Vorgaben aus der Designphase hinsichtlich einer lastgerechten Gestaltung bzw. Implementierung bionischer Ansätze können so gezielt durch einen adaptiven, automatisierten Schweißprozess eingestellt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Ermüdungs¬festigkeit und damit Produktlebensdauer, wodurch die Strukturen dünnwandiger ausgeführt und Ressourcen sowie CO2 eingespart werden können.
Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, wie z.B. die Verwendung von aufgelösten Tragstrukturen, sog. Jackets-Fundamenten, bietet ein großes Potential zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere im Hinblick auf die benötigte Stahlmenge.
In diesem Vortrag zeigen wir die Potenziale einer vollständigen Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungs- und Prüfkette auf, um eine vollautomatische Fertigung sowie Qualitätsprüfung von Rohrknoten als Schlüsselelement von Jackets-Fundamenten zu ermöglichen. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Nahtform und der resultierenden Ermüdungsfestigkeit durch numerische Methoden unter Einbeziehung bionischer Prinzipien bewertet. Es wird gezeigt, dass Hohlprofilknoten vollautomatisch unter Berücksichtigung von Geometrietoleranzen geschweißt werden können. Darüber hinaus konnte die Nahtform gemäß den numerischen Modellen hergestellt werden, was ein großes Potenzial für eine verlängerte Lebensdauer bietet. Anschließend werden die Verbesserungen bei der Ressourceneffizienz und die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen durch eine Lebenszyklusanalyse bewertet.
block and mortar types is analysed with particular regard to the influence of varying relative humidity. The uniaxial compressive strength and deformation characteristics of unstabilised earth blocks and mortars as well as of unstabilised earth block masonry are studied in detail and compared to conventional masonry to evaluate whether the structural design can be made accordingly. An increase of 30 % points in relative humidity leads to a reduction of the masonry´s compressive strength between 33 % and 35 % whereas the Young´s modulus is reduced by 24–29 %. However, the ratio between the Young´s modulus and the characteristic compressive strength of earth block masonry ranges between E33/fk = 283–583 but is largely independent of the relative humidity. The results show that the mechanical properties of the investigated unstabilised earth block masonry are sufficient for load-bearing structures, yielding a masonry compressive strength between 2.3 MPa and 3.7 MPa throughout the range of moisture contents
investigated. In general, the design concept of conventional masonry can be adapted for unstabilised earth masonry provided that the rather low Young´s modulus as well as the moisture dependence of both, compressive strength and Young´s modulus, are sufficiently taken into
account.
Aim of this study is to provide information about moisture dependent material behaviour of unstabilised loadbearing earth blocks and mortars. Compressive strength and Young’s modulus were investigated after conditioning in varying relative humidity reaching from 40 % up to 95 %. The material composition and physical properties were investigated to understand the influence of relative humidity onto the mechanical properties. A normalisation of strength and stiffness by the values obtained at 23 ◦C and 50 % relative humidity reveals a linear dependence of compressive strength and Young’s modulus that is regardless of the material composition.
Thus, it is possible to describe the influence of relative humidity onto the load-bearing behaviour of unstabilised earth masonry materials in a generally valid formulation.
Die Bemessung von tragendem Lehmmauerwerk erfolgt in Deutschland auf Basis der Lehmbau Regeln. Das dort verankerte Nachweisverfahren beruht auf einem globalen Sicherheitskonzept, welches aus zuverlässigkeitstheoretischer Sicht nicht mehr dem Stand der Technik entspricht. Auf Grund dessen wird das Bemessungskonzept für Lehmmauerwerk vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) voraussichtlich 2023 außer Kraft gesetzt. Ein statischer Nachweis von tragenden Lehmbauten wäre in Deutschland dann ausschließlich mit einer Zustimmung im Einzelfall (ZiE) oder vorhabenbezogener Bauartgenehmigung (vBg) möglich. Beides ist mit erheblichem Mehraufwand und höheren Kosten verbunden, was für den Lehmmauerwerksbau einen entscheidenden Nachteil im Vergleich zum konventionellen Mauerwerksbau darstellt. Um eine unkomplizierte Praxisanwendung von Lehmmauerwerk zu ermöglichen, werden innerhalb eines Forschungsvorhabens, welches von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), dem Institut für Massivbau der Technischen Universität Darmstadt sowie dem Ingenieurbüro ZRS durchgeführt wird, auf Basis der Produktnormen für Lehmsteine und Lehmmauermörtel Grundlagen für ein aktualisiertes Bemessungskonzept entwickelt. Im Rahmen des Projekts wird ebenfalls untersucht, inwiefern die Bemessungsregeln nach den vereinfachten Berechnungsmethoden für unbewehrtes Mauerwerk gemäß DIN EN 1996-3 / NA auf den Lehmmauerwerksbau übertragbar sind. Falls eine Anwendung des normativen Nachweisverfahrens bei Lehmmauerwerk möglich ist, wäre zukünftig eine Aufnahme von Lehmsteinen und Lehmmauermörtel in den nationalen Anhang des Eurocode 6 denkbar, was eine bedeutsame Erweiterung des Anwendungsbereichs von Lehmmauerwerk zur Folge hätte.
Diverse wissenschaftliche Untersuchungen konnten zeigen, dass bemessungsrelevante Festigkeits- und Verformungseigenschaften von Lehmmauerwerksbaustoffen stark von der vorherrschenden Materialfeuchte abhängen, welche im hygroskopischen Wassergehaltsbereich im Wesentlichen von der relativen Luftfeuchte (RLF) bestimmt wird. Auch die Zwischenergebnisse des laufenden Forschungsvorhabens zur Entwicklung eines Bemessungskonzepts für Lehmmauerwerk ergaben eine deutlich erkennbare Abhängigkeit zwischen der Materialfeuchte und den relevanten Festigkeits- und Verformungseigenschaften. Eine detaillierte Kenntnis des feuchteabhängigen Materialverhaltens von Lehmsteinen, -mörtel und -mauerwerk ist zwingend erforderlich, um ein konsistentes und zuverlässiges Bemessungskonzept für Lehmmauerwerk zu entwickeln. Im Rahmen des laufenden Forschungsprojektes werden deshalb umfangreiche Versuche zum Drucktragverhalten von Lehmsteinen und -mörtel sowie Lehmmauerwerk nach Konditionierung bei unterschiedlichen RLF durchgeführt und analysiert. Weiterhin werden auf Basis der experimentellen Ergebnisse numerische Modelle kalibriert, welche die detaillierte Analyse der Biegedrucktragfähigkeit von Lehmmauerwerk ermöglichen.
In diesem Beitrag werden zunächst die bisherigen Zwischenergebnisse bezüglich der experimentell ermittelten feuchteabhängigen Materialkennwerte von Lehmsteinen, -mörtel und -mauerwerk dargelegt. Darauf aufbauend werden numerische Untersuchungen zur Bestimmung der Systemtragfähigkeit von Lehmmauerwerk unter Feuchteeinflusses durchgeführt und erläutert.
Severe mechanical fatigue conditions for worldwide proliferating windfarms are a Major challenge for high-performance concrete in towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-performance concrete offers potential for the application in offshore windfarms, not only regarding its good mechanical, but also chemical resistivity due to low diffusivity in the highly densified microstructure. For a more reliable fatigue assessment, monitoring based on nondestructive testing can be a valuable complement to design rules. Both approaches demand reliable experimental data, information about scalability and the development of standardized testing methods. This article presents results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung), which is a part of a joint national project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject implemented by BAM examines the fatigue behavior in dependence of size and slenderness for varying concrete strength at different stress levels. Besides fatigue strength, nondestructive testing is carried out additionally.
Methods used are strain measurement and ultrasonic testing. The change of strain, stiffness and ultrasonic pulse velocity in the fatigue process is discussed. Results disclose a deeper insight into the damage process under cyclic loading of high-performance concrete and contribute to improve nondestructive monitoring.
Severe mechanical fatigue conditions for worldwide proliferating windfarms are a Major challenge for high-performance concrete in towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-performance concrete offers potential for the application in offshore windfarms, not only regarding its good mechanical, but also chemical resistivity due to low diffusivity in the highly densified microstructure. For a more reliable fatigue assessment, monitoring based on nondestructive testing can be a valuable complement to design rules. Both approaches demand reliable experimental data, information about scalability and the development of standardized testing methods. This article presents results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung), which is a part of a joint national project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject implemented by BAM examines the fatigue behavior in dependence of size and slenderness for varying concrete strength at different stress levels. Besides fatigue strength, nondestructive testing is carried out additionally.
Methods used are strain measurement and ultrasonic testing. The change of strain, stiffness and ultrasonic pulse velocity in the fatigue process is discussed. Results disclose a deeper insight into the damage process under cyclic loading of high-performance concrete and contribute to improve nondestructive monitoring.
The governing load bearing mechanism of multi-pile foundations is often the shaft friction. Under cyclic loading the soil particles next to the foundation rearrange and tend to compact leading to a decrease of the surrounding normal stress. The reduction of the normal stress leads to a lower threshold for shear stress (friction fatigue), which results in a degraded shaft bearing capacity. The common interface models used for numerical simulations (e.g. Mohr-Coulomb) are not able to capture such behavior. This work aims to develop an interface material model that incorporates such features of the contact behavior at the soil-structure interface.
The worldwide spread of windfarms brings new challenges, especially for concrete structures as a part of towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-cyclic loadings in such structures lead to a high relevance of the subject of fatigue. A proper assessment of the fatigue strength of concrete demands therefore a basis of reliable experimental data and the development of standardized testing methods. This article presents first results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) which is a part of a joint project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject investigates the effects of size and slenderness of the specimens on the fatigue behaviour of high strength concrete at different stress levels. Not only the fatigue strength, but also the fatigue process itself is monitored by means of several measurement methods. Strain measurements are used to calculate the load dependent elastic modulus in the fatigue hysteresis as indicators for fatigue development. Furthermore, the application of non-destructive methods like acoustic emission analysis and ultrasonic measurement in laboratory tests gives a deeper insight into damage processes under cyclic loading. The results shall be used to improve design rules for concrete members under fatigue load and to develop or improve non-destructive techniques for in-service structural health monitoring.
The worldwide spread of windfarms brings new challenges, especially for concrete structures as a part of towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-cyclic loadings in such structures lead to a high relevance of the subject of fatigue. A proper assessment of the fatigue strength of concrete demands therefore a basis of reliable experimental data and the development of standardized testing methods. This article presents first results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) which is a part of a joint project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject investigates the effects of size and slenderness of the specimens on the fatigue behaviour of high strength concrete at different stress levels. Not only the fatigue strength, but also the fatigue process itself is monitored by means of several measurement methods. Strain measurements are used to calculate the load dependent elastic modulus in the fatigue hysteresis as indicators for fatigue development. Furthermore, the application of non-destructive methods like acoustic emission analysis and ultrasonic measurement in laboratory tests gives a deeper insight into damage processes under cyclic loading. The results shall be used to improve design rules for concrete members under fatigue load and to develop or improve non-destructive techniques for in-service structural health monitoring.