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Zum Tragverhalten von geschweißten I-Trägern unter Berücksichtigung des Einflusses von Montagestößen
(2020)
Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit sind Untersuchungen zur Vorhersage des Herstellungsprozesses bei der Fertigung von geschweißten Doppel-T-Trägern. Dabei wird der Zusammenbau der Einzelteile in der Werkstatt sowie das endgültige Fügen auf der Baustelle untersucht und dargestellt. Es wird insbesondere auf den Einfluss des Montagestoßes eingegangen, welcher unter verschiedenen Umgebungstemperaturen geschweißt wurde.
Den experimentellen Untersuchungen, welche jeweils praxisnah in der Werkstatt und in der Großklimakammer unter verschiedenen Umgebungstemperaturen von -10 °C bis 20 °C (Raumtemperatur) durchgeführt wurden, sind Simulationsergebnisse, analytische Berechnungen sowie ingenieurtechnische Ansätze des Schweißeinflusses gegenübergestellt.
Durch die Erfassung der Fertigung der Bauteile können geeignete Ingenieurmodelle zur Verfügung gestellt werden, um anschließend eine Traglastuntersuchung für den Stabilitätsfall durchzuführen.
Schließlich führen die Untersuchungen dazu, dass die fachgerecht geschweißten Baustellenstöße im betrachteten Temperaturbereich (bis -10 °C) für das Material und die Schweißeigenspannungen unbedenklich sind. Für die Erfassung eines solchen Stoßes wurde ein ingenieurmäßiger Ansatz ausgearbeitet, welcher die Schweißeinflüsse berücksichtigt. Die Auswirkungen des Montagestoßes wurden somit in einer nichtlinearen Traglastanalyse ausgewertet. Der Einfluss des Montagestoßes auf die Traglast lag unter 5% im ungünstigsten Fall.
Im Stahlbau werden häufig Schweißträger eingesetzt. Als Profilform ist die des I-Trägers am weitesten verbreitet. Die Fertigung dieser Querschnitte erfolgt heute überwiegend vollmechanisiert im Werk durch z.B. Metall-Aktivgas-Schweißen. Dabei bewirkt der Schweißvorgang stets auch Eigenspannungen und Verformungen im Bauteil. Diese sogenannten Schweißimperfektionen zusammen mit weiteren Fertigungstoleranzen überlagern sich im Bauteileinsatz mit Lastspannungen und bewirken dadurch eine Absenkung der Tragfähigkeit. Die Erfassung dieser Einflüsse kann direkt im Rahmen einer vollständig nichtlineareren, sogenannten GMNIA-Berechnung erfolgen. Diesbezüglich sind besonders mit der Annahme der Eigenspannungen in Trägern aktuell noch große Unsicherheiten verbunden.
Zur direkten Berücksichtigung von Eigenspannungen kann auf verschiedene vereinfachte Eigenspannungsmodelle aus der Literatur zurückgegriffen werden. Diese basieren größtenteils auf rein geometrischen Festlegungen ohne Berücksichtigung von Fertigungsrandbedingungen oder der Stahlgüte. Nichtsdestotrotz haben sich diese einfachen Modelle, auch mangels des Fehlens aktuellerer Forschungsergebnisse, für numerische Berechnungen im Stahlbau bis zuletzt durchgesetzt.
Des Weiteren bestehen heute Möglichkeiten, eine numerische Schweißstruktursimulation zur Ermittlung der Eigenspannungen in Schweißträgern durchzuführen. Auch die vereinfachten Schweißsimulationsmodelle zur Berechnung großer Bauteile haben sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt. Im Stahlbau erfolgten bisher jedoch kaum Anwendungen dieser Methoden. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt deshalb in der Untersuchung von Methoden der Schweißsimulation im Hinblick auf eine Anwendung an Schweißträgern und hier im Speziellen an geschweißten I-Trägern.
Im Ergebnis sollte ein numerisch-basierter, einfacher Ansatzes zur direkten Abbildung des Schweißeinflusses in Tragfähigkeitsberechnungen bereitgestellt werden. Mit einem solchen vereinfachten Schweißsimulationsmodell können zudem neben den Schweißeigenspannungen auch die Schweißverformungen berechnet werden. Der Einfluss des Fertigungsprozesses kann dadurch viel genauer in die Bemessung einbezogen werden.
Ausgangspunkt der Untersuchungen bildeten Eigenspannungsmessungen an konventionell geschweißten I-Trägern aus normal- und hochfesten Baustählen. Anschließend wurden diese durch numerische Schweißstruktursimulationen ergänzt. Danach erfolgte darauf aufbauend die Ableitung eines vereinfachten, numerischen Berechnungsmodells zur weiteren Berücksichtigung von Eigenspannungen in nichtlinearen Tragfähigkeitsmodellen. Abschließend wurden vergleichende numerische Tragfähigkeitsanalysen durchgeführt und daraus Empfehlungen für eine bessere Erfassung des Schweiß- und Materialeinflusses in der Tragfähigkeitsberechnung abgeleitet.