56.13 Stahlbau, Metallbau
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Die Diplomarbeit leistet einen Betrag zur numerischen Untersuchung des Verzuges eines Feinkornbaustahles beim MAG-Schweißen. Ziel dabei war es, Informationen zu dem schweißbedingten Verzug beeinflussenden Größen zusammenzustellen, Angaben zu möglichen Berechnungsformeln des an einer T-Stoßverbindung durch das Schweißen entstehenden Winkelverzuges des Gurtes zu recherchieren und die Grundlagen für eine Verzugsberechnung mit Hilfe der Finite-Element-Methode darzustellen. Das Hauptinteresse lag dabei jedoch auf den durch das Schweißen von Kehlnähten entstehenden Winkelverzuges des Gurtes an T-Stoßverbindungen. Dieser wurde mit Hilfe numerischer Berechnungen untersucht. Dabei wurden die Einflüsse, welche geometrischen, werkstofflichen oder verfahrensbedingten Ursprungs seien können, betrachtet.
Ziel dieser Arbeit war es, die verschiedenen Bemessungskonzepte zur Kehlnahtberechnung vorzustellen, zu erläutern und zu vergleichen. Dabei wurden die Konzepte der TGL 13500, der DIN 18800, EC 3, nach ZIS - Mitteilungen und für Mismatch - Verbindungen ausgewählt.Im Rahmen der Arbeit wurden weiterhin Vergleichsrechnungen aufgestellt. Des Weiteren wurden zum ZIS - Bemessungskonzept ein Excel-Anwender-Programm geschrieben. Abgeschlossen wurde die Arbeit mit Erläuterungen zum versuchtechnischen Hintergund des EC 3.
Plastic structural analysis may be applied without any difficulty and with little effort for structural member verifications with regard to lateral torsional buckling of doubly symmetric rolled I sections. Suchlike analyses can be performed based on the plastic zone theory, specifically using finite beam elements with seven degrees of freedom and 2nd order theory considering material nonlinearity. The existing Eurocode enables these approaches and the coming-up generation will provide corresponding regulations in EN 1993-1-14. The investigations allow the determination of computationally accurate limit loads, which are determined in the present paper for selected structural systems with different sets of parameters, such as length, steel grade and cross section types. The results are compared to approximations gained by more sophisticated FEM analyses (commercial software Ansys Workbench applying solid elements) for reasons of verification/validation. In this course, differences in the results of the numerical models are addressed and discussed. In addition, results are compared to resistances obtained by common design regulations based on reduction factors χlt including regulations of EN 1993-1-1 (including German National Annex) as well as prEN 1993-1-1: 2020-08 (proposed new Eurocode generation). Concluding, correlations of results and their advantages as well as disadvantages are discussed.
Die in der Praxis häufig vorkommenden Rahmenecken werden zur Ermittlung ihrer Wölb- und Drehsteifigkeiten untersucht. Die Kontinui- tätsbedingungen dafür werden formuliert. Mit Finite- Schalenelementen werden Gesamthallenrahmen mit unterschiedlichen Abmessungen, Profilen, Dachneigungen, Stabilisierungen und Rahmeneck- formen modelliert. Dadurch werden die Auswirkungen und Einflüsse der Rahmeneckkonstruktion auf die Stabilität des Tragwerkes untersucht. Durch vergleichende Untersuchungen mit dem Ersatzstabverfahren nach der DIN 18800 werden für jede Rahmenecke realitätsnahe ßo- und ßz Werte vorgeschlagen.
Auf der Basis der Literaturrecherche wird in dieser Arbeit eine 5-lagige MAG-geschweißte Stumpfnaht an austenitisch-ferritischen Stahl X2CrNiMoN22-5-3 (Duplex-Stahl 1.4462) mit dem FE-Programm „SYSWELD®“ simuliert. Die Berech-nungen der Temperaturfelder werden unter der Berücksichtigung sowohl von tempe-raturunabhängigen als auch temperaturabhängigen thermophysikalischen Material-eigenschaften am drei-dimensionalen und zwei-dimensionalen Modell durchgeführt. Die berechneten Temperatur-Zeit-Verläufe und Gefügeumwandlungen beim MAG-Schweißen der Stumpfnaht werden hinsichtlich der Einflüsse und Veränderun-gen analysiert und die ermittelten Abkühlzeiten t12/8 werden für jede Schweißlage bewertet. Anschließend werden die Berechnungen des Eigenspannungszustandes für einzelne Schweißlagen untersucht.
Ziel war es eine MAG- Stumpfschweißverbindung mit anschließender WIG- Überschmelzung zu simulieren. Es galt den Einfluss einer WIG- Nachbehandlung auf die Gefügestruktur der Stumpfnaht aus S690QL und dessen Eigenspannungszustand zu untersuchen. Die WIG- Nachbehandlung erzeugt eine im Wesentlichen martensitische Gefügestruktur im überschmolzenen Bereich der kerbgefährdeten Schweißnahtübergänge. Dieses konnte anhand von Mikroschliffbildern der Schweißverbindung verifiziert werden. Die Härtewerte nach Vickers sind durch die WIG- Nachbehandlung gering gesenkt und auf einen weniger konzentrierten Bereich verteilt worden. Das Zugspannungsniveau im Bereich der Nahtübergänge konnte ebenfalls gering gesenkt werden.
Bolted connections are commonly used in steel construction. The load-bearing behavior of bolt fittings has extensively been studied in various research activities and the bearing capacity of bolted connections can be assessed well by standard regulations for practical applications. With regard to tensile loading, the nut does not have strong influence on resistances, since the failure occurs in the bolts due to higher material strengths of the nuts. In some applications, so-called “blind holes” are used to connect plated components. In a manner of speaking, the nut is replaced by the “outer” plate with a prefabricated hole and thread, in which the bolt can be screwed and tightened. In such connections, the limit load capacity cannot solely be assessed by the bolt resistance, since the threaded hole in the base material has strong influence on the structural behavior. In this context, the available screw-in depth of the blind hole is of fundamental importance. The German National Annex of EN 1993-1-8 provides information on a necessary depth in order to transfer the full tensile capacity of the bolt. However, some connections do not allow to fabricate such depths. In these cases, the capacity of the connection is unclear and not specified. In this paper, first experiments on corresponding connections with different screw-in depths are presented and compared to limit load capacities according to the standard.
According to Eurocode, the computation of bending strength for steel cantilever beams is a straightforward process. The approach is based on an Ayrton-Perry formula adaptation of buckling curves for steel members in compression, which involves the computation of an elastic critical buckling load for considering the instability. NCCI documents offer a simplified formula to determine the critical bending moment for cantilevers beams with symmetric cross-section. Besides the NCCI recommendations, other approaches, e.g. research literature or Finite-Element-Analysis, may be employed to determine critical buckling loads. However, in certain cases they render different results. Present paper summarizes and compares the abovementioned analytical and numerical approaches for determining critical loads and it exemplarily analyses corresponding cantilever beam capacities using numerical approaches based on plastic zones theory (GMNIA).
Im Ergebnis dieser Arbeit ist es gelungen, die Form der Überdachung des Frei-lufttheaters in Grötzingen als Stabnetzschale zu generieren und in einer Vorbe-messung konstruktiv durchzubilden. Im iterativen Prozess der Formfindung bilden Form, Last, Auflager und Tragver-halten eine Einheit, welche die letztendliche Form eines Tragwerks bestimmt. Kommt es auf Effizienz, Leichtigkeit und große Spannweiten an, so ist die Form eines Tragwerks dem gewünschten Beanspruchungszustand anzupassen. Die Form sollte somit die Folge des Sollkraftzustandes sein und nicht umgekehrt. Während der Formfindung in DOMEdesign ist es nicht gelungen, die Schalen-form über ein Netz mit quadratischen Maschen zu erzeugen, da sich die Berech-nung immer an derselben Stelle der Generierung festgefahren hat. Die Ursache hierfür kann durch die Anzahl der Unbekannten je Knoten während Iterations-schritte in der Berechnung erklärt werden. Die genaue Form wurde durch die Verwendung eines Hexagonnetzes realisiert. Vorher musste das Netz jedoch mittels AutoCad in die geneigte Lage gedreht werden. Den entscheidenden Ein-fluss für die entstehende Form haben die Größen der Radien des ebenen Aus-gangsnetzes. Je kleiner der Radius des Randes, desto schlanker und filigraner bildet sich die Form der Schale aus. Als sehr positives Programmtool soll die Im- und Exportfunktion von DOMEdesign erwähnt werden. Mit deren Hilfe kann jede Konstruktion problemlos als dxf-File in CAD - Programmen bearbeitet und wieder importiert werden. Die Überführung der Netztopologie in eine dreieckige Vermaschung ist im Pro-gramm AutoCad durchgeführt worden. Hierzu war es notwendig, jeden zweiten Punkt eines Hexagons zu fangen und durch Verbinden, Dreiecke zu erzeugen. Nach der ersten Vorbemessung schien die Entscheidung sinnvoll, aufgrund der zunehmenden Normalkräfte zum Auflager hin, eine Staffelung der Stabquer-schnitte vorzusehen. Die Querschnitte variieren von 120/70 (in Schalenmitte) bis 180/70 (am Auflager). Am Übergang zweier Stabgrößen werden gevoutete Stäbe angeordnet. Im Rahmen dieser Vorbemessung stellte sich heraus, dass sich eine reine Schalentragwirkung (nur Druckkräfte) in der gefundenen Konstruktion nicht zu 100 % einstellt. Grund dafür ist der Zusammenhang von Netztopologie, Ge-ländeneigung- bzw. Lage der Lagerpunkte und Art der Beanspruchung. Deshalb treten in der Stabnetzschale vereinzelt Zugkräfte auf, welche vom Dreieck hin zum Hexagon abnehmen. Im maßgebenden Lastfall bewegen sich die Beträge der Verformungen in einem tolerierbaren Bereich von bis zu maximal 3,7 cm, welche die Zulässigen von maximal 13,3 cm deutlich unterschreiten. Die Fortschritte durch Computer - orientierte - Verfahren zur Formfindung und Bemessung haben die Formvielfalt beim Bau von doppelt gekrümmten Flächen aus Stahl und Glas erweitert. Die automatisierte Fertigung erlaubt es, sich von den bisher immer geforderten gleichen Stablängen und gleichen Knotenausbil-dungen loszulösen. Um die gefundene Schalenform konstruktiv umzusetzen, ist es notwendig einen Knoten zu finden, welcher den Ansprüchen in Bezug auf Stabverdrehung, Glasauflagerung und Schalenkrümmung genügt. Hierbei gibt es eine Vielzahl an möglichen Konstruktionen. Da an bestimmten Knoten große Un-terschiede zwischen Vertikalwinkeln auftreten, fiel in dieser Arbeit die Entschei-dung zu Gunsten eines Zylinderknotens, dessen lokale Geometrie durch die unterschiedlichen Stabenden realisiert wird. Der Knoten selbst übernimmt nur die Einstellung der Horizontalwinkel. Die Verbindung zwischen Stab und Knoten wird mittels zweier Schrauben, die übereinander und senkrecht zur Knotenachse aus-gerichtet sind, hergestellt. Dazu wird an den Stabenden ein 1 cm starkes Blech angeschweißt, wodurch die Schrauben vom Knoten her vorgespannt werden können. Die Oberkante des Knotens darf dabei nicht über die Staboberseiten herausragen, da sonst keine durchgehende Auflage der Glasscheiben möglich ist.
Aufgabe war es, eine Schweißnaht numerisch zu simulieren und die dabei entstehenden Eigenspannungen mit dem Programm SYSWELD zu simulieren. Dazu war es notwendig, eine entsprechende Wärmequelle für das MIG-Schweißen abzubilden, um die eingetragene Wärme in Form eines Temperaturfeldes darzustellen. Die Berechnung erfolgte unter Verwendung der temperaturabhängigen Materialkennwerte der verschweißten Werkstoffe, die in einer Literaturrecherche zusammengestellt wurden. Untersucht wurde außerdem der Einfluss der Modelliergenauigkeit auf die entstehenden Eigenspannungen. Dabei konnte festgestellt werden, dass eine realitätsnahe Darstellung der Naht von großer Bedeutung ist, um die Kerbwirkung der Schweißnaht zu erkennen.