Müde Metalle: Lebensdaueranalysen zyklisch beanspruchter Stahltragwerke

Wenn man eine Büroklammer an immer derselben Stelle hin- und zurückbiegt, dauert es nicht lange, bis sie an dieser Stelle zerbricht.

Ähnliche Ermüdungserscheinungen durch wiederkehrende Belastungen zeigen auch größere Metallbauteile, teils mit katastrophalen Folgen: Ermüdung war zum Beispiel der Grund für das ICE-Unglück in Enschede.

Besonders tückisch ist, dass das Versagen scheinbar aus heiterem Himmel kommt: Eine Schädigung ist nicht erkennbar. Ingenieure des Sonderforschungsbereichs 398 „Lebendauerorientierte Entwurfskonzepte“ entwickeln daher Simulationsprogramme, die die Lebensdauer von Metallbauteilen errechnen können.

Sie berichten in der aktuellen Sonderausgabe von RUBIN, dem Wissenschaftsmagazin der Ruhr-Universität Bochum.

Tückisch: Versagen aus heiterem Himmel

Besonders tückisch ist die Ultrakurzzeitermüdung, die erst seit den 1990er Jahren Gegenstand der Forschung ist. Dabei versagt ein Stahltragwerk ohne Vorwarnung schon nach weniger als 100 zyklisch auftretenden Belastungsspitzen. Grund dafür sind Veränderungen der Mikrostruktur des Materials, meist in lokal hoch beanspruchten Zonen. Vorhersagemethoden gab es viele – doch stimmten sie häufig nicht mit der Realität überein. Fortschritte in der Entwicklung numerischer Lösungsansätze und wirklichkeitsnaher Werkstoffmodelle ermöglichten es nun, ein mikrostrukturell motiviertes Simulationskonzept zu entwickeln.

Gefahren vorher berechnen und gegensteuern

Das am Lehrstuhl für Statik und Dynamik der Ruhr-Universität (Prof. Dr. Günther Meschke) entwickelte Konzept wurde in drei Phasen erarbeitet: Die Ingenieure bestimmten zuerst die werkstoffspezifischen Eigenschaften der einschlägigen Materialien. Dabei mussten sie von einer gewissen Elastizität ausgehen, sowie von Mikroporen, die von vornherein in Stahlbauteile eingeschlossen sind und natürliche Schwachpunkte bilden, von denen ausgehend sich Schädigungen ausbreiten können. Diese Eigenschaften überprüften sie dann im Experiment mit genormten Probekörpern, die sie standardisierten zyklischen Belastungen aussetzten. Ergebnis: Die Berechnungen stimmen gut mit dem wirklichen Materialverhalten überein. Zum Schluss ermittelten die Forscher mit der Finite Elemente Methode dann die Lebensdauer des untersuchten Stahltragwerks. Als ein Beispiel wählten sie den Ethylentank eines Wilhelmshavener Unternehmens, den sie virtuell den Bedingungen des realen El Centro Erdbebens vom 18. Mai 1940 in Kalifornien aussetzten. Fazit: Der Tank hätte die Erschütterungen unbeschadet überstanden. Auf diese Weise könnte man künftig schon im Planungsstadium ermitteln, ob die Gefahr einer Ultrakurzzeitermüdung besteht, und gegebenenfalls die Konstruktionspläne anpassen.

Weitere Themen im SFB-RUBIN

Weitere Themen in RUBIN: „Garantiert sicher – planen, bauen, überwachen“, Interview mit Prof. Dr. Friedhelm Stangenberg (Sprecher des SBF 398); „Simulierte Alterung: Referenzbauwerke präzisieren Lebensdauerprognose“ (Lehrstuhl für Stahl- und Spannbetonbau); „Die an den Fundamenten rütteln: Langzeitverformungen bei Offshore-Windenergieanlagen“ (Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik, TU Karlsruhe); „Straßen im Stress: Wie Betonbauwerke auf dynamische Belastung reagieren“ (Lehrstuhl für Baustofftechnik); „Der Beton lebt: Lebensdauerprognose von Betontragwerken“ (Baumechanik/Baudynamik, Universität Kassel, Lehrstuhl für Statik und Dynamik, Ruhr-Universität Bochum); „Eigendynamik unerwünscht: Wie Druckwellen von Hochgeschwindigkeitszügen wirken“ (Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen, Ingenieurbüro Niemann&Partner, Bochum); „Mit Zufällen rechnen: Stochastische Strukturoptimierung bei der Lebensdauerprognose“; SFB 398: Projekt-Überblick. RUBIN „SFB 398“ ist erhältlich am Lehrstuhl für Entwurf und Konstruktion – Massivbau der Ruhr-Universität, Sekretariat: Tel. 0234/32-25980, E-Mail: gisela.wegener@ruhr-uni-bochum.de

Weitere Informationen

Prof. Dr. techn. Günther Meschke, Lehrstuhl für Statik und Dynamik, Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-29051 Guenther.Meschke@rub.de

Redaktion: Meike Drießen