Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Langlebige Fachwerkbrücken aus Stahl einfacher bemessen

21.02.2020

Forscher entwickeln einheitliche Vorgaben, um Materialermüdung zu berechnen.

Stahl-Fachwerkbrücken sind materialsparende und langlebige Lösungen. In der Praxis fehlen aber bisher einheitliche Vorgaben für die Berechnung der Materialermüdung der geschweißten Knoten bei der Bemessung der Brücken.


Der großformatige Versuchsaufbau der Hochschule München: Ermüdungstest von Stahlfachwerkbrückenteilen

Foto: Jakob Roth

Prof. Dr. André Dürr vom Institut für Material- und Bauforschung (IMB) der Hochschule München entwickelt über Großbauteilversuche diese Berechnungsregeln für Bauingenieure.

Die Ausmaße der Versuchsanordnung sind immens: Stahlrohre von 18 Metern Länge mit einem Stahlknoten in der Mitte hängen in einer Konstruktion, welche die 15 Tonnen schweren Bauteile in Schwingung bringt. So wird die Belastung des Verkehrs für die Brückenkonstruktion simuliert.

Zeigt sich unter der dynamischen Belastung ein Riss, wird seine Ausbreitung beobachtet und vermessen, bis das ganze Rohr durchbricht. Dieser so genannte Großbauteilversuch der Hochschule München in einem Labor in Kissing bei Augsburg soll Aufschluss darüber geben, inwiefern sich die Ergebnisse kleinformatiger Versuchsanordnungen hochrechnen lassen:

„Wie verhalten sich geschweißte Knotenverbindungen von Fachwerkbrücken in großen Dimensionen, wenn ich etwas schlankere Rohre mit größeren Blechdicken verwende?“, lautete die Forschungsfrage von Prof. Dr. André Dürr, Professor für Stahlbau und Baustatik an der Hochschule München (HM).

Stahl-Fachwerkbrücken international als nachhaltige Lösungen

Geringer Materialaufwand, schlankere Gestaltung, künftig kalkulierbare Materialermüdung und Reparaturfähigkeit: Trotz des größeren Fertigungsaufwands sind Stahl-Fachwerkbrücken in den skandinavischen Ländern, Frankreich oder den USA weit verbreitet.

In Deutschland hingegen bedarf jede Einzelne – wie die Fußgängerbrücke über die Bayerstraße zur Theresienwiese oder die Autobahnbrücke nähe Lichtenfels über die A73 – noch einer aufwändigen behördlichen Zustimmung.

„Ein Ziel in unserem Projekt war, eine Richtlinie für den deutschen Ausschuss für Stahlbau vorzubereiten, damit Bemessungsempfehlungen für die Planer und Ingenieure vorhanden sind, damit dieser Bauweise in Deutschland nichts mehr im Wege steht“, sagt Dürr.

Schwachstellen Schweißnähte bei steigender Verkehrsbelastung

Bei der heute favorisierten Fachwerkkonstruktion sind die mächtigen Stahlrohre, die Gurte, mit den schmäleren Streben direkt im Zick-Zack miteinander verschweißt. Der schwächste Punkt der so genannten K-Knoten sind die Schweißnähte im Übergang der Streben zum Gurt, welche bei den dynamischen Belastungen bei Brücken zuerst Risse bekommen.

Die Verkehrsbelastung durch die zunehmende Verkehrsdichte und die gewachsene Zahl an LKWs schlägt sich in der Zahl der Lastwechsel und der Schwingbreite zwischen geringster und höchster Belastung, nieder.

In Dürrs Großbauteilversuch brachten Unwuchterreger an beiden Enden des langen Stahlrohrs die Konstruktion zum Vibrieren, dann in ihrer Eigenfrequenz zum Schwingen: „Das sind 12-30 Lastwechsel pro Sekunde, die wir zur Kontrolle mit einer High-Speed-Kamera aufgenommen haben,“ sagt Dürr zum Versuchsaufbau, der die reale Verkehrsbelastung nachstellt.

Sein Forschungsergebnis: Der erste Riss konnte erst nach einer langen Versuchsdauer festgestellt werden. Der zunächst 4 Zentimeter große Riss am Gurt wuchs bis zum Versuchsende auf 41 Zentimeter recht langsam.

Risswachstum kalkulierbar machen
Dieses „gutmütige“ Risswachstum ist gewünscht, um Zeit zu gewinnen für das Beobachten und Reparieren von Riss und Brücke: „Die Konstruktion muss trotz des Risses noch drei bis sechs Jahre halten und darf nicht zum schlagartigen Versagen führen“, sagt der Forscher.

Für die künftige Bemessung der Brücken auf die gängige Lebensdauer von hundert Jahren heißt das: „Wenn das Gurtrohr immer dicker wird, dann heißt das nicht: doppeltes Gurtrohr, doppelte Lebensdauer. Diesen fehlenden Größenfaktor konnten wir bestimmen und können künftig damit rechnen.“

Im nächsten Schritt sollen Regelungen für Stahl-Fachwerkbrücken in den Ausschuss für Stahlbau in Deutschland eingebracht, später auch in europäische Normen umgesetzt werden. Im nächsten geplanten Forschungsprojekt untersucht Dürr die Verwendung von modernem hochfestem Stahl für noch schlankere Brücken-Konstruktionen.

Das IGF-Vorhaben 18883 BG / P1163 "Wirtschaftliche Auslegung von ermüdungsbeanspruchten, geschweißten Rundhohlprofilknoten unter Berücksichtigung der erforderlichen Schweißnahtqualität" der FOSTA –Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. Düsseldorf, wurde im Programm zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Universität Stuttgart entwickelte in dem Projekt Methoden Regelungen zur Berücksichtigung der Schweißnahtausführung bei der Berechnung, das Forschungszentrum Ultraschall eine Methode, um optisch nicht sichtbare, innere Einschlüsse in den Gurten trotz der gekrümmten Form mit Ultraschall feststellen zu können.

Prof. Dr. André Dürr ist seit 2015 als Professor für Stahlbau und Statik an der Fakultät für Bauingenieurwesen der Hochschule München tätig. Dürr hat zehn Jahre praktische Erfahrung als Tragwerksplaner für Bau- und Stahlbaufirmen, studierte und promovierte an der Universität Stuttgart und der GeorgiaTech in Atlanta/USA. Er ist Gründungsprofessor des 2019 gegründeten Instituts für Material- und Bauforschung (IMB) und ist Mitglied im Labor für Stahl- und Leichtmetallbau der Hochschule München.

Gerne vermitteln wir einen Interviewtermin mit Prof. Dr. André Dürr – auch vor Ort in Kissing, wo die Bauteile des Versuchs unter freiem Himmel zu sehen sind.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. André Dürr
Hochschule München
Fakultät für Bauingenieurwesen
E-Mail: andre.duerr@hm.edu
Tel. 089 1265-2642

Originalpublikation:

Ermüdung geschweißter K-Knoten aus Rundhohlprofilen – Normengerechte Nachweis und Schweißqualität. In: Stahlbau, voraussichtlich Heft 4, 2020, Ernst & Sohn

Christiane Taddigs-Hirsch | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.hm.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Architektur Bauwesen:

nachricht Architektur statt Antibiotika
31.03.2020 | Technische Universität Braunschweig

nachricht Weltweit einzigartig: Neue Anlage zur Untersuchung von biogener Schwefelsäurekorrosion in Betrieb
27.03.2020 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Architektur Bauwesen >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

In vielen Bereichen spielen „Elektrolyte“ eine wichtige Rolle: Sie sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen – geladene Atome – in einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser, bewegen. Bisher war jedoch der präzise Mechanismus, wie genau sie sich durch die Atome und Moleküle der Elektrolyt-Flüssigkeit bewegen, weitgehend unverstanden. Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun gezeigt, dass der durch die Bewegung von Ionen bestimmte elektrische Widerstand einer Elektrolyt-Flüssigkeit sich auf mikroskopische Schwingungen dieser gelösten Ionen zurückführen lässt.

Kochsalz wird in der Chemie auch als Natriumchlorid bezeichnet. Löst man Kochsalz in Wasser lösen sich Natrium und Chlorid als positiv bzw. negativ geladene...

Im Focus: When ions rattle their cage

Electrolytes play a key role in many areas: They are crucial for the storage of energy in our body as well as in batteries. In order to release energy, ions - charged atoms - must move in a liquid such as water. Until now the precise mechanism by which they move through the atoms and molecules of the electrolyte has, however, remained largely unknown. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research have now shown that the electrical resistance of an electrolyte, which is determined by the motion of ions, can be traced back to microscopic vibrations of these dissolved ions.

In chemistry, common table salt is also known as sodium chloride. If this salt is dissolved in water, sodium and chloride atoms dissolve as positively or...

Im Focus: Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungserzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein.

Wassertropfen, die über nicht leitende Oberflächen gleiten, sind überall in unserem Leben zu finden: Vom Tropfen einer Kaffeemaschine über eine Dusche bis hin...

Im Focus: Harnessing the rain for hydrovoltaics

Drops of water falling on or sliding over surfaces may leave behind traces of electrical charge, causing the drops to charge themselves. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz have now begun a detailed investigation into this phenomenon that accompanies us in every-day life. They developed a method to quantify the charge generation and additionally created a theoretical model to aid understanding. According to the scientists, the observed effect could be a source of generated power and an important building block for understanding frictional electricity.

Water drops sliding over non-conducting surfaces can be found everywhere in our lives: From the dripping of a coffee machine, to a rinse in the shower, to an...

Im Focus: Quantenimaging: Unsichtbares sichtbar machen

Verschränkte Lichtteilchen lassen sich nutzen, um Bildgebungs- und Messverfahren zu verbessern. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat eine Quantenimaging-Lösung entwickelt, die in extremen Spektralbereichen und mit weniger Licht genaueste Einblicke in Gewebeproben ermöglichen kann.

Optische Analyseverfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie sind in sichtbaren Wellenlängenbereichen schon äußerst effizient. Doch im Infrarot- oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

06.04.2020 | Energie und Elektrotechnik

Virtueller Roboterschwarm auf dem Mars

06.04.2020 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics