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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse der Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen nach erfolgter Reparatur des vorhandenen Ermüdungsrisses. In den aktuellen Regelwerken (wie Eurocode bzw. International Institute of Welding) liegen bis heute keine normativen Bemessungskonzepte für sanierte Schweißverbindungen vor. Diesbezüglich werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die herkömmlichen Ermüdungsfestigkeitsnachweise (nach Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept) um die ermittelten FAT-Klassen für sanierte bzw. nachbehandelte Schweißverbindungen ergänzt.
Die Analyse betrachtet ein typisches kleinmaßstäbliches Bauteilelement des Stahlbaus, d.h. das Konstruktionsdetail der Quersteife. Dabei handelt es sich um nicht „belastungstragende“ Kehlnähte, die eine bevorzugte Ausgangsstelle für Ermüdungsrisse an Nahtübergängen darstellen und daher stark ermüdungsfestigkeitsmindernd wirken.
Die experimentellen Ermüdungsuntersuchungen in Form von klassischen Wöhlerversuchen verfügen über drei Gruppen von Versuchsprüfkörpern. Die Gruppe I bezieht sich auf fehlerfreie Schweißnähte, d.h. im Schweißzustand belassene Prüfkörper. Die Gruppe II betrifft die fehlerhaften Schweißnähte, die durch Ausschleifen der potenziellen Risse und Wiederschweißen saniert wurden. Bei der Gruppe III werden die Prüfkörper zusätzlich durch eine Schweißnahtnachbehandlungsmethode, d.h. mit höherfrequentem Hämmern bearbeitet. Neben den klassischen Ermüdungsversuchen werden die Kerbwirkungen in ermüdungskritischen Stellen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode analysiert. Somit können die FAT-Klassen nach Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept für Reparaturschweißungen ermittelt werden. Um die relevante Vergleichbarkeit der entsprechenden Schweißnahtzustände bzw. Effektivität solcher Reparaturmaßnahmen sicherzustellen wird zusätzlich eine ganze Serie von sog. Begleituntersuchungen durchgeführt. Dabei handelt es sich um Temperatur-, Verzugs- und Härtemessungen, röntgenografische Eigenspannungsbestimmungen sowie metallographische Untersuchungen zur Bestimmung der Schmelzbadgeometrie bzw. des Nahtprofils. Vor allem wird im Rahmen dieser Arbeit ein Fokus auf die Eigenspannungsanalyse gelegt, um die tatsächliche Eigenspannungsverteilung in den entsprechenden Reparaturzuständen zu ermitteln und somit eine Basis für verbesserte Bemessungsmodelle von sanierten und nachbehandelten Schweißnähten zu erarbeiten. Bei den Gruppen I und II der Versuchsprüfkörper betrifft die Eigenspannungsanalyse ebenso die Schweißsimulation.
Im Rahmen des Forschungsprojektes werden Fragestellungen des Stahlleichtbaus bezüglich des Einsatzes von strukturierten Blechen hinterfragt, untersucht und Lösungen vorgestellt.
Als Anwendungsbeispiel werden in dieser Arbeit geschweißte I-Träger mit schlanken, strukturierten Stegen untersucht. Eine Serie von Blechträgern mit verschiedenen Stegausführungen - eben, profiliert und strukturiert - wird modelliert und auf ihre Schubtragfähigkeit untersucht.
Die vorliegende Arbeit beschreibt erste Untersuchungen zu strukturierten Blechen mit aktuellen numerischen Analysen und praktischen Versuchen zum globalen und lokalen Beulen.
In Versuchen und numerischen Simulationen werden verschiedenste geschweißte Stahlleichtbauträger untersucht. Es wird erkundet, inwiefern sich das Beulverhalten von Trägern mit strukturierten Stegen gegenüber ebenen oder profilierten Stegen verändert. Außerdem wird definiert, welche Strukturen sich am besten für den Einsatz in Stahlleichtbauträgern eignen.
Schließlich wird ein Vergleich von numerischen und analytischen Versuchsergebnissen aufgezeigt und ein Berechnungsvorschlag gegeben, welcher dazu dient, Stahlleichtbauträger mit strukturierten Blechen bemessen zu können.
Entwicklung einer Bewertungsmethodik zur Standortplanung und Dimensionierung von Wasserstoffanlagen
(2014)
Gewöhnlich wird über Standorte von Produktionsanlagen nach Kriterien wie z.B. der Verfügbarkeit von Rohstoffen, Energie, Infrastruktur und damit verbundene Kosten entschieden. Die Dimensionierung der Produktionskapazitäten erfolgt unter anderen nach der absetzbaren Produktmenge sowie den erzielbaren Gewinnen. Voraussetzung ist die ständige Verfügbarkeit der benötigten Energie. Für Konzepte zur Nutzung überschüssiger Energien, besonders fluktuierender Windenergie zur Wasserstoffproduktion sind die gewöhnlichen Methoden nur bedingt geeignet. Daher wurde mit dieser Arbeit eine Bewertungsmethodik entwickelt, die Dauer und Menge der verfügbaren Energie in die Standortentscheidung sowie die Anlagendimensionierung integriert. Zunächst wird die Wasserstoffanlage modularisiert und in die Teilprozesse Energieversorgung, Wasserversorgung, Wasserelektrolyse, Kühlung, Speicherung und Verdichtung für den Transport unterteilt. Nach Vorgabe technologischer und wirtschaftlicher Parameter werden für jede Teilanlage die Stoff- und Energieströme sowie die Kosten berechnet. Auf Basis der gegebenen Randbedingungen erfolgen die Anlagenkonfigurierung sowie die Ermittlung der Standortspezifischen Produktionskosten. Durch Parametervariationen bei Technologie und Kosten können Sensitivitätsanalysen durchgeführt und unterschiedliche Betriebsszenarien analysiert werden. Die Anwendung der Bewertungsmethodik wird an Fallbeispielen demonstriert. Eine am Industriepark positionierte Wasserstoffanlage dient als Referenzanlage für den kontinuierlichen Betrieb mit Netzenergie. Am Beispiel einer durch Windenergie betriebenen Wasserstoffanlage werden die Einflüsse von verfügbarer Energiemenge und Versorgungsdauer gezeigt. Bei vorgegebenen Wasserstoffpreisen werden die Zusammenhänge zwischen optimaler Anlagenkapazität und Anlagenauslastung dargestellt sowie die daraus erzielbaren Stromkostenbudgets zur Vergütung der Windparkleistung ermittelt.
Gegenstand der Dissertation ist die rechnergestützte Traglastberechnung von Platten mit beliebiger Lagerung, Belastung und Werkstoffverhalten nach der Fließlinientheorie. Besondere Aufmerksamkeit wurde dabei sogenannten Fließlinienfächern gewidmet, wie sie in Plattenecken und unter Einzellasten entstehen. Diese wurden bisher entweder durch eine große Anzahl einzelner gerader Fließlinien angenähert, oder aber gänzlich vernachlässigt. In der vorliegenden Arbeit wurde dazu ein Fächerelement entwickelt, durch das ein Fließlinienfächer mit nur einem Element beschrieben werden kann. Die neuen Fächersegmente führen zu einer wesentlich höheren Genauigkeit bei wesentlich geringeren Rechenzeiten. Um die Ergebnisse der Fächersegmente für anisotrope Platten zu optimieren, wurde eine verbesserte Transformationsregel entworfen, die gegenüber der Transformationsregel von Wood den Vorteil hat, arbeitskonsistent zu sein. So kann diese Transformationsregel anstatt auf die gesamte Platte auch auf einzelne Plattenbereiche angewandt werden. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die rechnergestützte, automatisierte Ermittlung des maßgebenden Fließlinienmusters. Dazu wurde ein Katalog von Rand- und Eckgruppen erstellt, aus welchen das Fließlinienmuster für beliebige Platten zusammengesetzt wird. Durch die anschließende numerische Optimierung wird das Anfangs-Fließlinienmuster an die aktuelle Geometrie- und Belastungssituation angepasst. Zur Verifizierung des entwickelten Verfahrens und zur Demonstration des breiten Anwendungsspektrums werden schließlich zahlreiche Beispiele untersucht und mit analytischen und numerischen Lösungen aus der Literatur verglichen. Die errechneten Ergebnisse zeigen im Vergleich nicht nur eine gute Übereinstimmung, sondern führen für einzelne Probleme zu verbesserten Lösungen.
Für die Beschreibung von Vielkomponentensystemen über Verteilungsfunktionen oder Pseudokomponenten wurden thermodynamische Grundlagen zusammengestellt und auf sehr unterschiedliche Phänomene der Wasserbehandlung angewendet. Für organische Stoffe wurde ein zweidimensionales Ordnungsschema nach dem log KOW und der Molmasse vorgeschlagen. In dieses Schema lassen sich bekannte Stoffe zusammen mit unterschiedlich ermittelten Pseudokomponenten eintragen. Über die Lage von Stoffen in diesem Schema erhält man orientierende Informationen zu deren Behandlungseigenschaften und Umweltverhalten (Adsorption, Flockung, Bioakkumulationsvermögen). In diesem Zusammenhang wurden neue Auswertemethoden für UV/VIS-Spektren, Titrationskurven, Adsorptionsisothermen und Filterversuche vorgestellt.
Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit sind grafische Bemessungshilfen in Form von Interaktionsdiagrammen für Stahlbetondruckglieder mit zweiachsiger Biegung. Bei der Anwendung der Diagramme wird die bisherige Einschränkung auf den ebenen Fall aufgehoben. Es stellt sich somit der ebene Fall lediglich als Sonderfall des räumlichen Zustandes dar. Grundlage für das verwendete Rechenverfahren nach Theorie II. Ordnung ist eine von der Ebene auf den Raum erweiterte Modellstütze. Diese virtuelle Kragstütze mit gleichen oder unterschiedlichen Ersatzlängen in den beiden Achsrichtungen dient als statisches System, an welchem alle Berechnungen durchgeführt werden. Es zeigte sich, dass die Verwendung der Betonarbeitslinie die ursprünglich nur für die Querschnittsbemessung vorgesehen ist, auch bei Anwendung in der Traglastberechnung zu einer guten Übereinstimmung zwischen rechnerischen und experimentellen Ergebnissen führt. Die Mitwirkung des Betons auf Zug zwischen den Rissen ("Tension-stiffening"-Effekt) sollte beim Tragfähigkeitsnachweis nicht angesetzt werden, da dadurch die Traglasten teilweise erheblich überschätzt werden.