BAM Forschungsberichtreihe
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Die Schwingfestigkeitsuntersuchungen im Labor V32 "Betriebsfestigkeit Maschinenelemente" der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hatten die Ermittlung regelwerksfähiger zulässiger Spannungen für den Betriebsfestigkeitsnachweis von Lastanschlagspunkten aus austenitischen Stählen an Lasten in Kernkraftwerken zum Ziel. Dabei wurde an in einem vorausgegangenen Untersuchungsvorhaben SR 0421 erarbeitete Werte angeknüpft und die Datenbasis durch Untersuchung des Mittelspannungseinflusses sowie des Betriebsfestigkeitsverhaltens erweitert. Um das Untersuchungsziel zu erreichen, wurden statistisch geplante und ausgewertete Schwingfestigkeitsversuche an gekerbten und geschweißten Flachproben aus dem austenitischen Stahl 1.4541 durchgeführt. Die Flachproben wurden in Einstufen- Wöhlerversuchen bei Wechselbeanspruchung (R = -1) und bei schwellender Zugbeanspruchung (R = 0,5) geprüft. Die Untersuchungen umfassen gemäß der Terminologie der DIN 15 018 den Spannungsspielbereich N1 ... N4 für das Spannungskollektiv S3. Die Betriebsfestigkeits-versuche wurden mit zwei unterschiedlichen Lastkollektiven bei schwellender Zugbeanspruchung (R = 0) sowie in einem Fall bei R = 0,5 durchgeführt. Diese Untersuchungen umfassen gemäß der Terminologie der DIN 15 018 den Spannungsspielbereich N1 ... N4 für das Spannungskollektiv So sowie ein weiteres Spannungskollektiv, das genau in der Mitte zwischen S1 und S2 liegt. Um im Sinne des Untersuchungsziels möglichst praxisnahe Ergebnisse zu erreichen, wurden die Proben bei der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Berlin-Brandenburg gefertigt; die Qualitätssicherung der Probenfertigung übernahm der TÜV Nord nach den Richtlinien der KTA 3905. Die Qualitätssicherung war im Hinblick auf die Vergleichbarkeit der hier dargelegten Ergebnisse mit denjenigen aus dem Vorgängervorhaben SR 0421 besonders bedeutsam. Umfangreiche fraktografische und metallografische Begleituntersuchungen erbrachten Aufschluss über die Qualität der Schweißnähte und die Ursachen der chwingbruchinitiierung. Die Schweißnahtqualität der untersuchten Proben war durchgehend als gut bis sehr gut zu kennzeichnen. Die Mittelspannungsabhängigkeit, die für drei Kerbfälle bei drei Spannungsverhältnissen in Versuchsreihen im Übergangsgebiet zur Dauerfestigkeit bestimmt wurde, folgt keinem einheitlichen Trend: In zwei Fällen erscheint die GOODMAN-Gerade ansatzweise die Abhängigkeit zu beschreiben; in einem Fall ist eine annehmbare Näherung durch die GERBER-Parabel möglich. Die Ergebnisse von Einstufenversuchen hinsichtlich der Mittelspannungsabhängigkeit sind jedoch nicht auf diejenigen von Betriebsfestigkeitsversuchen übertragbar. Anhand der erarbeiteten Lebensdauerlinien und der vorliegenden Bauteilwöhlerlinien konnten die tatsächlichen Schadenssummen nach der gemäß HAIBACH modifizierten Schadensakkumulationshypothese berechnet werden. Die derart berechneten tatsächlichen Schadenssummen liegen zwischen 0,001 und 1,5. Dieses Ergebnis verdeutlicht, dass ohne Kenntnis der Bauteilwöhlerlinie erhebliche Fehleinschätzungen - hier zum Teil auf der unsicheren Seite liegend - der zu erwartenden Lebensdauer möglich sind. Die Herleitung zulässiger aus ertragbaren Spannungen für die Einstufenversuche an Schweißverbindungen wurde wie folgt vorgenommen: Die Neigung der Wöhlerlinie im Zeitfestigkeitsgebiet wurde aus den experimentellen Ergebnissen für eine Überlebenswahr- scheinlichkeit von 50% abgeleitet; die Streuungen wurden mit Hilfe des den Angaben in der DS 804 zugrunde liegenden einheitlichen Streubands für Schweißverbindungen aus dem Wöhlerlinienkatalog von OLIVIER und RITTER abgeschätzt. Dabei wurde angenommen, dass das Streuverhalten der hier ermittelten Schwingfestigkeitswerte mit Hilfe der Groß- zahluntersuchungen des einheitlichen Streubands für Schweißverbindungen sicherer abgeschätzt wird als aus den vergleichsweise kleinen Stichproben der hier dargelegten Versuchsergebnisse. Für die Kerbstäbe mit Mittenloch wurde der aus den ertragbaren Spannungen auf eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 99,9 % extrapolierte Wert als zulässig angegeben. In gleicher Weise wurden die zulässigen Spannungen für die Betriebsfestigkeitsversuche ermittelt. In beiden Fällen fehlt nämlich die Datenbasis aus dem Wöhlerlinienkatalog nach OLIVIER und RITTER, die lediglich für Schweißverbindungen unter einstufiger Beanspruchung gilt. Der Vergleich der derart ermittelten zulässigen Spannungen mit den Angaben aus der DIN 15 018 zeigt, dass die Werte der DIN-Norm teils nicht konservativ, teils konservativ sind. Bei ein und demselben Kerbfall wechseln in einigen Fällen - je nach Schwingspielzahlbereich - nicht konservative und konservative Bereiche. In ergänzenden Versuchen wurde das elastisch-plastische Verhalten des Grundwerkstoffs bestimmt. Hierzu wurde die Dehnungswöhlerlinie aufgenommen und nach MANSON- COFFIN ausgewertet. Ebenso wurde die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass die zyklische Ersatzstreckgrenze doppelt so groß wie die zügige ist. Dies weist auf das vergleichsweise hohe Verfestigungspotential des untersuchten Werkstoffs unter zyklischer Beanspruchung hin. Im Hinblick auf die Abschätzung der Restnutzungsdauer anrissbehafteter Bauteile wurde das Rissfortschrittsverhalten nach PARIS sowie der bruchmechanische Schwellwert der zyklischen Spannungsintensität ermittelt.
216
Die Aufgabe bestand darin, die grundlegenden Schwingfestigkeitseigenschaften der höherfesten Feinblechwerkstoffe zu ermitteln und das jeweilige Festigkeitsverhalten anhand von mikrostrukturellen, zum überwiegenden Teil an Durchstrahlungsproben mit dem TEM bestimmten Merkmalen zu deuten. Dazu wurde die Schwingfestigkeit an glatten und gekerbten Flachproben sowie an bauteilähnlichen, gefügten Probenden experimentell ermittelt.
143
Es wurden die wesentlichen mechanischen Werkstoffeigenschaften des Betons und des Betonstahls qualitativ und quantitativ ermittelt. Ferner waren Versuche an Stahlbetonbauteilen erforderlich, deren Maßstab so zu wählen war, dass noch die " innere Struktur" des Stahlbetons wirklichkeitsnah abgebildet werden konnte.
131
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90
129
1. Fachbericht des Forschungsvorhabens 150 460 (siehe 131 und 143). Darstellung von Untersuchungen zum mechanischen Verhalten unterschiedlicher Betonstähle bei Variation der Dehngeschwindigkeit in einem großen Bereich, die Veränderungen des mechanischen Verhaltens von Betonstahl, insbesondere die Veränderung der Kennwerte der Festigkeit und der Verformungsfähigkeit qualitativ und quantitativ zu bestimmen.
140
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Die angegebenen Programme dienen zur Simulation von Ellipsoiden und Quadern und zum Einlesen der Daten physischer Modelle. Programme für Durchmesser- und Linearanalyse zur Bestimmung von Größenverteilungen sind Beispiele für typische stereologische Aufgaben, einige Ergebnisse mit diesen Verfahren werden angegeben und diskutiert.
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Der vorliegende Bericht stellt die zugrunde liegende Theorie nachvollziehbar dar und beschreibt den numerischen Lösungsalgorithmus nach dem Mehrziel-Schießverfahren. Die Winkelfunktionen des Spannungs- und Verzerrungsfeldes werden graphisch und in zahlreichen Tabellen für verschiedene Verfestigungsexponenten dokumentiert.
162
56
163
Die in den Abschlussberichten zu den Vorhaben zur Ermittlung der Prüffestigkeit von Flachglas (BAM-161) und zur Tragfähigkeit großer Glasscheiben (BAM-162) dokumentierten Ergebnisse von durchgeführten Balken-Siegeversuchen und Doppelring-Biegeversuchen in Anlehnung an DIN 52303 Teil 1 bzw. DIN 52292 Teile 1 und 2 sowie Biegebruchversuchen an zweiseitig und vierseitig aufgelagerten Scheiben aus vorgespanntem und nicht vorgespanntem Spiegelglas (abkürzend als ESG bzw. Floatglas) werden zusammenfassend ausgewertet.
171
286
Ziel der Untersuchung ist, eine methodische Verbindung zwischen statischer Tragwerksanalyse und Messung am Bauwerk herzustellen. Die grundsätzlichen Beziehungen werden in Verbindung mit der zusätzlichen Einführung der Lagrange’schen Multiplikatoren hergeleitet; ebenso wird auf einen Sonderfall hingewiesen. Am Beispiel des Linientragwerkes - der Balkenbiegung - wird der Ansatz nach Bernoulli als Regressionsfunktion gewählt. Ein Vergleich zu Hermite-Polynomen wird gezogen, die hier keine optimale Lösung erbringen können. Für die 3 Messgrößen - Durchbiegung w sowie Winkelneigung w‘ und Krümmung w“ bzw. Dehnung ε – werden die grundsätzlichen Matrizen hergeleitet. Für die Forderung, dass die 3 Messgrößen grundsätzlich in jeder Messreihe auftreten, wird deren Kopplung ausgewiesen, ebenso die Berücksichtigung vorhandener statischer Randbedingungen. Die Kopplung geschieht mittels der Lagrange’schen Multiplikatoren. Für die Lösung des Gesamtsystems wird eine Gesamtschritt-Lösung und eine Zwischenschritt- Lösung definiert und deren Vor- und Nachteile kurz beleuchtet. Zusätzlich dürfen die Grundsätze zum Anordnen der Messpunkte und deren Messgröße nicht unberücksichtigt bleiben, da ansonsten keine sinnvolle Aussage vorgenommen werden kann. Hier darf das Prinzip von St. Vénant keineswegs unberücksichtigt bleiben. Bei Konstruktionen, die einer Zwängung unterliegen (können), sind mindestens 2 Dehnungsmessungen jeweils über eine Querschnittshöhe unumgänglich, damit eine Umrechnung der Messwerte in reine Biegemesswerte vorgenommen werden kann. An grundsätzlichen Beispielen wird der Lösungsweg und das erzielte Resultat angegeben. Hier wird noch einmal auf die eminent wichtige Rolle der Randbedingungen hingewiesen, die immer zur Stabilisierung des Ergebnisses beitragen. Des Weiteren wird die Bandbreite der Lagrange’schen Multiplikatoren untersucht [s. Anhang A]. Bei diesen Beispielen sollte die Größe der Lagrange’schen Multiplikatoren jeweils sehr klein sein, da diese immer die Größe der Korrektur anzeigt. --- Ferner wird eine Übersicht zum Formelapparat und der wesentlichste Weg der Abstandsminimierung in toto angegeben [s. Anhang B]. Der grundsätzliche Ansatz beinhaltet zunächst keine Aussage über die zu verwendenden Funktionen; d. h. es liegt per se keine Beschränkung auf ein linienhaftes Tragwerk vor. So kann das Procedere ohne weiteres auf andere Tragwerke – beispielsweise Flächentragwerke – ausgeweitet werden, für die ebenfalls vorzügliche Lösungs- und damit Ansatzfunktionen bekannt sind. Dass der messtechnische Aufwand entsprechend steigt, dürfte selbstverständlich sein. Eine Ausweitung auf die permanente Strukturüberwachung bietet sich von selbst an, so dass nach Auswertung der Messungen sofort eine Aussage zum Tragverhalten – im Vergleich zur vorliegenden statischen Berechnung – vorgenommen werden kann.
69
144
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Ziel der Untersuchung war, beliebige Dämpfungsverläufe in die allgemeinen, im Zeitraum formulierten Bewegungsgleichungen zu implizieren und vor allem die numerischen Konsequenzen der Resultate aufzuzeigen. Ferner wird ein Lösungsverfahren entwickelt, das mittels komplexen Streifigkeitsansätze unter Verwendung zeitversetzter Belastung eine vollständige Erfassung allgemeiner Dämpfungsvorgaben gestattet.
141
Grundlage zur seismischen Bemessung von Kernkraftwerksbauten in der BRD ist die KTA- Regel 2201, die aktuell zur Beratung und Neufassung ansteht. Eine wesentliche Forderung zur Abänderung besteht darin, den bisherigen Doppelnachweis gegen Auslegung Erdbeben (AEB) und Sicherheitserdbeben (SEB) aufzugeben und nur noch allein eine Bemessung gegen das Sicherheitserdbeben vorzunehmen.