56.13 Stahlbau, Metallbau
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- 2005 (6) (remove)
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.
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.
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.
Das FEM-Programmsystem „SYSWELD“ kommt für die Berechnung des Temperaturfeldes bei einer Laserstrahlschweißung zum Einsatz. Insbesondere sollen der Einfluss des Energieeintrages und die damit verbundene Gefügeumwandlung eines Feinkornbaustahles untersucht und Aussagen zur notwendigen Modellierungsgenauigkeit der Nahtgeometrie bzw. Netzverfeinerung getroffen werden. Im Einzelnen sind folgende Teilaufgaben zu lösen: - ausführliche Literaturrecherche zur numerischen Analyse von Schweißverbindungen insbesondere zu temperaturabhängigen Materialeigenschaften von Feinkornbaustählen, - Darstellung der Wärmequelle für das Laserstrahlschweißen, - Erprobung unterschiedlicher Netzvarianten für die FE-Analyse von instationären Temperaturfeldern, - Untersuchung zur Modellierungsgenauigkeit der Nahtgeometrie, - Parameterstudien zum Einfluss der Materialkennwerte und Gefügekinetik auf das Temperaturfeld sowie das Gefüge.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Energieeintrag beim Laserstrahl-schweißen untersucht. Das verwendete Material ist ein Stahl der Sorte S355 J2G3. Für das FE-Programm SYSWELD sind verschiedene Wärmequellen entwickelt, erprobt und über Temperaturfelder mit einander verglichen wurden. Dabei kamen unterschiedliche Netz-varianten zum Einsatz. Der Energieeintrag wurde abzüglich der Verluste die beim Laserstrahlschweißen entstehen betrachtet, dabei sind die Verluste aus Transmission, Reflexion und Metalldampf separat betrachtet wurden. Es wurden auch Materialparameter wie: Verdampfungsenthalpie, spezifische Wärmekapazität sowie Wärmeleit-fähigkeit analysiert. Die Ergebnisse zur Anpassung des Energieeintrages waren im Gegensatz zu den Materialparametern noch ausbaufähig.